CURS IX I.2.3.2.6. Alte efecte de orientare in reactiile de Substitutie Electrofila (S.E.) in seria aromatica: arene cu nuclee benzenice condensate 1 I.2.3.2.6.1. Reactivitatea Naftalenului 1 I.2.3.2.6.2. Reactivitatea Antracenului si a Fenantrenului 3 I.2.3.3. Reactii de hidrogenare reducere ale arenelor 4 I.2.3.4. Reactii de oxidare ale arenelor 5 I.2.3.5. Reactii prin mecanism radicalic ale arenelor 7 I.2.3.5.1. Aditia radicalica a halogenilor 7 I.2.3.5.2. Substitutia Radicalica (S.R.) la catena laterala din alchilbenzeni 8 II. FUNCTIUNI ORGANICE SIMPLE 11 II.1. COMPUSI ALOGENATI 11 II.1.1. Nomenclatura si clasificarea 11 II.1.2. Structura si proprietati spectrale 12 II.1.3. Metode de obtinere a compusilor halogenati 13 II.1.3.1. Compusi halogenati cu catena saturata din hidrocarburi 13 II.1.3.2. Compusi halogenati cu catena nesaturata sau aromatica din hidrocarburi 14 II.1.3.3. Compusi halogenati din alte functiuni organice 14 II.1.4. Proprietati fizice 15 II.1.5. Reactivitatea compusilor halogenati 16 II.1.5.1. Reactivitatea compusilor halogenati in reactiile de Substitutie Nucleofila (S.N.) 16 II.1.5.1.1. Reactii de Substitutie Nucleofila Monomoleculara (SN 1 ) 21 II.1.5.1.2. Reactii de Substitutie Nucleofila Dimoleculara (SN 2 ) 22 II.1.5.1.3. Reactivitatea compusilor halogenati alilici si benzilici 24 II.1.5.1.4. Competitia intre reactivitatea prin Substitutie Nucleofila (S.N.) vs. Eliminare (E) in clasa compusilor halogenati 25 II.1.5.1.5. ase de compusi organici care se pot obtine din compusi halogenati prin reactii de Substitutie Nucleofila 27 II.1.5.1.6. Substitutia Nucleofila la atomul de carbon aromatic hibrid sp 2 28 II.1.5.1.6.1. Prin mecanism E1cb 28 II.1.5.1.6.2. Prin mecanism SN 2 Ar 30 II.1.5.2. Reactia cu unele metale 32 Modificarile ulterioare asupra continutului, operate de catre autor, nu fac obiectul vreunei notificari prealabile.
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. I.2.3.2.6. Alte efecte de orientare in reactiile de Substitutie Electrofila (S.E.) in seria aromatica: arene cu nuclee benzenice condensate Sunt relevante arenele cu nuclee benzenice condensate Naftalenul, Fenantrenul si Antracenul: 1 α β 2 mezo mezo 9 10 9 1 Naftalen E conj = 61 Kcal/mol E conj. / ciclu = 30.5 Kcal/mol Fenantren E conj = 92 Kcal/mol E conj. / ciclu = 30.6 Kcal/mol 10 E conj = 36 Kcal/mol Antracen E conj = 84 Kcal/mol E conj. / ciclu = 28 Kcal/mol Nota 1: Fiecare dintre ele este mai putin aromatica decat benzenul dar manifesta, fiecare, anizotropie in camp magnetic exact ca si benzenul (Curs 4, 11.1.2.). Nota 2: Fiecare dintre ele poate prezenta regioizomerie in cazul monosubstitutiei electrofile. Nota 3: Monosubstitutia electrofila asupra acestor hidrocartburi are loc in asa fel incat nucleul aromatic ramas nesubstituit sa fie cat mai putin implicat ( deranjat ) in timpul desfasurarii atacului electrofil asupra celuilalt ciclu. Nota 4: Urmare a scaderii caracterului aromatic / ciclu in comparatie cu benzenul, arenele cu inele benzenice condensate sunt mai reactive decat benzenul in reactiile de substitutie electrofila: reactiile sunt mai rapide, in conditii mai blande. I.2.3.2.6.1. Reactivitatea Naftalenului In cazul monosubstitutiei electrofile asupra naftalenului ca atare sunt posibili regioizomerii 1(α) sau 2(β). Atacul electrofil in pozitia 1(α) este totdeauna favorizat deoarece complexul σ intermediar are caracter aromatic mai pronuntat decat cel rezultat in cazul atacului electrofil in pozitia 2(β). In cazul in care electrofilul este voluminos si / sau noua legatura rezultata C sp2e este mai slaba decat cea initiala σ Csp2, reactia de substitutie electrofila poate deveni reversibila si indrumata sub control cinetic sau termodinamic.
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 2 E atac α Lent E atac β Lent E 2 2 E E E E E Rapid 4 structuri limita au caracter aromatic / 7 posibile 2 2 structuri limita au caracter aromatic / 6 posibile Exemple: Nitrarea si clorurarea furnizeaza regioizomeri unici, naftalenii monosubstituiti in pozitia 1(α). Sulfonarea este reversibila si se poate desfasura sub control cinetic sau termodinamic. E E E E Rapid E E E NO 2 1Nitronaftalen αnitronaftalen E 1oronaftalen αoronaftalen 80 o C Sulfonare 160 o C 160 o C Desulfonare SO 3 SO 3 Acid αnaftalensulfonic 94% 6% Acid βnaftalensulfonic 85% 15% SO 3 SO 3 La 80 o C regioizomerul α se formeaza cu o viteza de cca. 6 ori mai mare decat regioizomerul β: sulfonarea are loc sub CONTROL CINETIC La 160 o C regioizomerul α devine instabil datorita impedimantarii sterice intre pozitiile peri si se desulfoneaza. Resulfonarea are loc in pozitia β, mai degajata steric, drept care procesul a are loc sub CONTROL TERMODINAMIC In naftalenii monosubstituiti, orientarea unei a doua substitutii electrofile se realizeaza, larg majoritar, in pozitiile α: i) in acelasi ciclu benzenic in cazul grupelor orto / para directoare ii) in ciclul benzenic adiacent, mai putin dezactivat, in cazul grupelor meta directoare.
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. R: grupa orto / para directoare R 4 1 E E Majoritar (para, α) Minoritar (orto, β) Majoritar (orto, α) A=B: grupa meta directoare 50% E A=B E R 1 8 A=B 1 2 2 5 E 5 Majoritar (α) I.2.3.2.6.2. Reactivitatea Antracenului si a Fenantrenului E 50% Atat in cazul Antracenului cat si in cel al Fenantrenului, pozitiile mezo sunt cele mai reactive fata de electrofili nu numai in reactii de Substitutie Electrofila (S.E.) ci si in Reactii de Aditie Eletrofila (A.E.): in urma unei aditii electrofile, energia de conjugare a intregii moleculei scade, in schimb energia de conjugare / nucleu benzenic creste. EXEMPLU: Reactii de halogenare cu halogen molecular: 3 E conj = 84 Kcal/mol E conj / ciclu = 28 Kcal/mol X:, Br S.E. 9 δ δ 10 A.E.(14) X X sp 3 Lent Δ sp 2 Complex σ Identice X, X Rapid X sp 3 X X X Lent Rapid sp 2 Carbocation stabilizat X prin conjugare Δ (sau Δ) X B: B, X 9aloantracen Eliminare (E1, E2) Intermediar stabilizat cu doua nuclee benzenice autentice 9,10Dihalodihidroantracen E conj = 72 Kcal/mol E conj / ciclu = 36 Kcal/mol
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 4 E conj = 92 Kcal/mol E conj / ciclu = 30.6 Kcal/mol X:, Br 10 9 S.E. A.E.(12) X Lent Δ X sp 2 sp 3 Complex σ Identice X sp 2 sp 3 X X Rapid Lent Carbocation stabilizat prin conjugare X, X Rapid X X Δ (sau Δ) X 9alofenantren B: B, X Eliminare (E1, E2) Intermediar stabilizat cu doua nuclee benzenice autentice 9,10Dihalodihidrofenantren E conj = 72 Kcal/mol E conj / ciclu = 36 Kcal/mol I.2.3.3. Reactii de hidrogenare reducere IDROGENAREA: consta din aditia hidrogenului gazos, in prezenta catalizatorilor metalici fin divizati, la cald; se obtin cicloalcani sau bicicloalcani (Curs 6, I.1.2.2.) cu acelasi numar de atomi de carbon, in reactii unitare. 3 2 (g) Pt, 180 o C 1 4 2 (g) / Ni Aditie 14 ciclohexan In acest proces nu pot fi izolati intermediarii de hidrogenare partiala (e.g. ciclohexadiene, ciclohexena) deoarece, dupa o prima etapa, lenta, in care se suprimarea caracterului aromatic, celelalte doua etape sunt mult prea rapide. 1 1 2 (g) / Ni 2 3 2 (g) / Ni 4 3 1,4Dihidronaftalen 4 1,2,3,4Tetrahidronaftalen (Tetralina) Biciclo[4.4.0]decan (Decalina) (amestec de diastereoizomeri cistrans) In cazul Naftalenului [E conj / ciclu < E conj (benzen)!], hidrogenarea decurge in conditii mai blande, cu catalizatori mai putin pretentiosi, in etape separabile; ultima etapa, obtinerea Decalinei, necesita conditiile cele mai energice.
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. REDUCEREA : are loc in prezenta metalelor alcaline (Na, Li ca donori de electroni), N 3 (lichid, 40 o C) si / sau alcooli (R O) ca donori de protoni; aceste sisteme reducatoare furnizeaza hidrogenul in stare nascanda (generat in situ, status nascendi : 2 2 e ), (compara cu reducerea alchinelor, Curs 7, I.1.3.3.1.6. B). Reducerea Birch (1940) a benzenului: furnizeaza 1,4ciclohexadiena: Na Na 1 e Na Na 1 e Na N 2 N 3 (l) ( 40 o C) Na 2 N Na Radical anion Radical Anion N 2 5 4 1 2 2 N Na 3 1,4Ciclohexadiena Nuclee benzenice condensate reactioneaza similar: antracenul si fenantrenul aditioneza hidrogenul in pozitiile mezo. Na / EtO (reflux) 9 10 9,10Dihidroantracen 6 5 Na / nc 5 11 O (reflux) 9 10 9,10Dihidrofenantren I.2.3.4. Reactii de oxidare Sunt de interes in sinteza organica si tehnologia organica de sinteza a intermediarilor aromatici doua tipuri de oxidari: A) OXIDARI CU SUPRIMAREA TOTALA SAU PARTIALA A CARACTERULUI AROMATIC Se aplica in cazul benzenului si omologilor cu nuclee benzenice condensate fara catene laterale saturate. Pe masura ce caracterul aromatic / ciclu scade, reactivii de oxidare sunt cei intalniti in clasa alchenelor.
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. O O 4.5 O 2 (V 2 O 5 / aer / 500 o C) C O 2 O O Anhidrida maleica 2 CO 2, 2 O C O O O OPTIONAL Acid maleic 2 O neizolabil in conditiile reactiei de oxidare (hidroliza, intro etapa separata) 6 Prepararea de dicetone aromatice conjugate (c h i n o n e ): 3 [O] (CrO 3 / C 3 COO / 25 o C) 2 O 4.5 O 2 (V 2 O 5 / aer / 460 480 o C) 2 CO 2, 2 2 O 3 [O] (K 2 Cr 2 O 7 / 2 SO 4 sau C 3 COO) 2 O O O 3 [O] (K 2 Cr 2 O 7 / 2 SO 4 ) 2 O O O O 1,4Naftochinona O Anhidrida ftalica O O O 9,10Fenantrenchinona 9,10Antrachinona O O Parabenzochinona O O Ortobenzochinona B) OXIDARI ALE CATENEI LATERALE DIN ALCILBENZENI Duce, totdeauna, la formarea acizilor benzoici, cu conditia ca la atomul de carbon benzilic sa fie prezent hidrogenul:
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. C 3 3 [O] (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 / 2 SO 4 ) 2 O COO Acid benzoic 7 ( 3 C) 3 C C 2 C 3 6 [O] (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 / 2 SO 4 ) ( COO 2 2 O, CO 3 C) 3 C 2 C 2 C 2 C 3 5 [O] (KMnO 4, K 2 Cr 2 O 7 / 2 SO 4 ) 2 O I.2.3.5. Reactii prin mecanism radicalic Interes practic prezinta: i) reactiile de Aditie Radicalica (A.R.) ale benzenului. ii) reactiile de Substitutie Radicalica (S.R.) ale alchilbenzenilor la catena laterala. I.2.3.5.1. Aditia radicalica a halogenilor COO OOCC 3 Se aplica utilizand bromul sau clorul, la temperaturi scazute, in prezenta de promotori (peroxizi, Curs 6, I.1.1.3.1.1.1.) si a radiatiilor UV asupra benzenului. 2.. 2. 2... omoliza omoliza omoliza.. Radical stabilizat prin conjugare, vezi Curs 7, I.1.3.5.2. Radical stabilizat prin conjugare 1,2,3,4,5,6 exaclorociclohexan (insecticid)
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. Etapa cea mai lenta este prima, cea in care se suprima caracterul aromatic odata cu homoliza primei legaturi π Csp2Csp2 ; urmatoarele etape sunt foarte rapide, ceea ce nu permite izolarea de intermediari. Mecanismul inlantuit decurge prin intermediul unor radicali de tip alil, stabilizati prin conjugare (Curs 7, I.1.3.5.2.). I.2.3.5.2. Substitutia Radicalica (S.R.) la catena laterala din alchilbenzeni Ca si in seria alifatica (pozitia alilica, Curs 7, I.1.3.5.2.), un atom de carbon hibrid sp 3 direct legat de un nucleu aromatic este mult mai reactiv decat restul atomilor din lantul alchilic, fiind definit ca si carbon benzilic (pozitie b e n z i l i c a). Legatura σc sp3 a carbonului benzilic este cea mai slaba dintre toate legaturile C din molecula alchilbenzenilor (85 Kcal/mol in toluen), putind fi scindata usor pe cale radicalica. Fata de restul atomilor de carbon din lantul alifatic, numai atomul de carbon benzilic se gaseste in relatie hiperconjugativa cu nucleul benzenic, fapt care explica, partial, reactivitatea sa marita, de exemplu in cazul toluenului. Efectul de grupa orto / para directoare a grupei metil in reactiile Substitutie Electrofila (S.E.) poate fi deasemenea explicat si prin h i p e r c o n j u g a r e (Curs 8, I.2.3.2.6.I.). Radicalul benzil al toluenului poate fi generat, la fel ca si cel alil, in conditii radiante, sub actiunea promotorilor si a unui partener radicalic de reactie (Curs 7, I.1.3.5.2.). EXEMPLU: orurarea prin substitutie radicalica (S.R.) a toluenului la catena laterala si a unor omologi alchilati. C 6 5 C 3 2 C 6 5 C 2 orura de benzil σ Csp3 2 C 2 C Structura de legatura (bonding structure) C 6 5 C 2 C 3 X 2 C 6 5 CXC 3 C 6 5 C 2 C 2 X X: Br 100% X: 91% 9% 2 C Structuri de nelegatura (nonbonding structures) 2 C 8
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. Stabilizarea prin conjugare a radicalului (de tip) benzil hν (A.I.B.N.) INITIEREA 2 2. C 2 C 2 C 2 C 2 PROPAGAREA C 6 5 C 3 C 6 5 C 2 C 6 5 C 2 2 C 6 5 C 2 etc INTRERUPEREA 2 2 2 C 6 5 C 2 C 6 5 C 2 C 6 5 C 2 C 2 C 6 5 C 6 5 C 2 2. 2 C 2 C 2 9 Δ r = 12 Kcal/mol Δ r = 24 Kcal/mol Nota 1: desfasurarea reactiei este cea tipica pentru un proces S.R. la carbonul saturat, hibrid sp 3. Nota 2: calea SR la atomul de carbon aromatic, in pofida stabilizarii prin conjugare a radicalului benzil, este defavorabila termodinamic (e.g., in pozitia para). Nota 3: cu exces de clor, procesul poate continua, dupa acelasi mecanism, pana la substituirea tuturor atomilor de hidrogen cu clor. Cumularea de radicali fenil la un atom de carbon benzilic contribuie la stabilizarea inaintata, prin conjugare, a starii de radical, sau carbocation, mult superioara fata de alil, de exemplu: Radicali (C 6 5 ) 3 C > (C 6 5 ) 2 C > C6 5 C 2 > 2 C=CC 2 Carbocationi (C 6 5 ) 3 C > (C 6 5 ) 2 C > C 6 5 C 2 > 2 C=CC 2 Trifenilmetil Difenilmetil Benzil Alil In cazul celui mai stabil dintre radicali, cel trifenilmetil ( t r i t i l ), acesta poate fi cu usurinta preparat, stabilizat, pastrat, regenerat ba chiar si convertit, dupa dorinta, in carbocation sau carbanion, cu totii stabilizati prin conjugare exacerbata, de tip benzil (aici in triplicat).
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. Prepararea 2 [ Ar ]4s 2 3d 10 (Ph) 3 C Zn: o Dimerul radicalului Zn 2 omoliza orotrifenilmetan Ph 3 C orura de tritil 10 Ph 3 C Ph 3 C CPh 2 C CPh 2 C CPh 2 Ph 3 C CPh 2 Forma stabila a dimerului, radicalului, mai degajata steric decat Ph 3 CCPh 3 C C C Ph 3 CCPh 3? Dimerul radicalului trifenilmetil se descompune usor, la cald, spre a genera radicalul Ph 3 C. Sub actiunea unui reducator (e.g. metal alcalin), tritilul este usor convertit intrun carbanion stabilizat prin conjugare ( tritil ), utilizat ca baza organica puternica, datorat incarcarii sterice, stabila in mediu anhidru. (C 6 5 ) 3 C Na (C 6 5 ) 3 C: Na Tritil sodiu Sub actiunea unor oxidanti moderati (e.g. metal tranzitional), tritilul se poate transforma in carboaction stabilizat prin conjugare ( tritil ), combinatiile rezultate fiind stabile timp nedefinit. (C 6 5 ) 3 C Ag O 4 (C 6 5 ) 3 C O 4 Ag o Perclorat de tritil
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. II. FUNCTIUNI ORGANICE SIMPLE Definitia functiunii organice: vezi Curs 1 (pct. 3). II.1. COMPUSI ALOGENATI Definitie: compusi organici proveniti din hidrocarburi in care unul sau mai multi atomi de hidrogen sunt inlocuiti cu atomi de halogen. In cazul inlocuirii totale a hidrogenului, denumirea este cea de compusi perhalogenati. II.1.1. Nomenclatura si clasificarea a) Dupa natura halogenului: fluorurati, clorurati, bromurati, iodurati. b) Dupa numarul atomilor de halogen: mono sau polihalogenati In cazul prezentei mai multor atomi de halogen, subclasificarea se refera la precizarea pozitiei reciproce (regioizomeria) in molecula a atomilor de halogen: vicinala sau geminala (sau ambele). 11 >CXCX< >CCX 2 C< >CCX 3 Compus polihalogenat: dihalogenat vicinal dihalogenat geminal trihalogenat geminal c) Dupa natura radicalului hidrocarbonat de care sunt legati: saturati, nesaturati, aromatici C 3 C 2 2 C=CBr C 6 5 I oroetan Bromoetena Iodobenzen orura de etil Bromura de vinil Iodura de fenil d) Dupa natura atomului de carbon de care este legat halogenul: RC 2 X R 2 CX R 3 CX Primar Secundar Tertiar Nomenclatura (I.U.P.A.C.) se realizeaza adaugand prefixele halo (fluoro, cloro, bromo, iodo) la numele hidrocarburii ai carei atomi de hidrogen au fost inlocuiti cu halogen (pct. c). Sunt in uz si tolerate denumirile ca halogenura de urmata de numele radicalului hidrocarburii (pct. c) ca si unele triviale (cloroform C 3, iodoform CI 3 etc.).
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. II.1.2. Structura si proprietati spectrale a) tipul de baza de legatura carbon halogen CX este totdeauna σ, la care se poate adauga si o contributie π in cazul compusilor halogenati cu reactivitate scazuta (Curs 8, I.2.3.2.5.1): 12 3 C (σ sp3p ) 2 C=C (σ sp2p ) C C (σ spp ) b) lungimea de legatura creste o data cu scaderea energiei de legatura si a momentului dipol C δ X δ : C sp3 F C sp3 C sp3 Br C sp3 I E (Kcal/mol): 116 79 69 51 Lungimea de legatura (Ǻ): 1.40 1.77 1.91 2.12 3 C δ F δ 3 C δ δ 3 C δ Br δ 3 C δ I δ μ (Debye): 1.86 1.81 1.78 1.64 c) daca apare posibilitatea de conjugare p π, datorata efectului E al halogenului, legatura σ sp2p este mai scurta decat cea σ Csp3p : astfel, legatura Csp 2 Xp avand un caracter partial de legatura dubla (COMPUSI ALOGENATI CU REACTIVITATE SCAZUTA, Curs 8, I.2.3.2.5.1): π C σ X: C σ X: e.g. d Csp2 = 1.67 A d Csp3 = 1.77 A π σ CF π σ C etc Intrepatrundere pp din ce in ce mai defavorabila Efectul este cel mai pregnant pentru legatura Csp 2 F deoarece electronii neparticipanti ai fluorului populeaza un orbital p de dimensiune (gabarit) similara cu cel al carbonului (ambele elemente facand parte din Perioada a IIa Sistemului Periodic al Elementelor). Proprietati spectrale: vezi Curs 4 6. CBr!!!
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. In Spectrele de Masa, fragmentarile ionilor moleculari de origine sunt diferite, in functie de taria legaturii σ CX : Ioni moleculari de origine Ioni de fragmentare tipici. RC 2 C 2 F. RC 2 C 2 F: 2 C=F: [m/e = 33] E CF = 116 kcal/mol 13.. RC 2 C 2 RC=C 2 [M 36.5] E C = 79 kcal/mol. RC 2 C 2 Br RC 2 C 2 :Br. [M 80] E CBr = 69 kcal/mol II.1.3. Metode de obtinere a compusilor halogenati II.1.3.1. Compusi halogenati cu catena saturata din hidrocarburi 1. Din alcani: inlocuirea hidrogenului cu halogen (Substitutie Radicalica, S.R. Curs 6, I.1.1.3.1.1.) 2. Din alchene: aditia halogenului molecular si a hidracizilor (Aditii Electrofile, A.E., Aditii Radicalice, A.R. Curs 7 I.1.3.5.1.2.1., I.1.3.5.1.2.2., I.1.3.5.1.3.). cicloaditia (insertia π 2 n 2) cis a diclorocarbenei singlet la (pe) alchene (completare la Curs 7, I.1.3.5.1.2.5.) C 3 I acidifiaza protonul O K 2 O C: K Carbanion stabilizat de 3 I :C 2 insertie cis C: K K 6 5 7 4 1 3 : Ċ. Ċ. Diclorocarbena singlet, stabilizata de E : 2 Cis2,2Dicloro[1.4.0]heptan
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 3. Din alcadiene: aditia halogenului molecular (Aditii Electrofile, A.E. Curs 8, I.1.4.2.2.1.). 4. Din alchine: aditia halogenului molecular si a hidracizilor (Aditii Electrofile, A.E., Curs 8, I.1.5.2.2.2.). 5. Din unele arene: aditia la ciclul aromatic a halogenului molecular (Aditie Radicalica, A.R. Curs 9, I.2.3.5.). II.1.3.2. Compusi halogenati cu catena nesaturata sau aromatica din hidrocarburi 1. Din alchene: inlocuirea hidrogenului din pozitia alilica cu halogen (Substitutie Radicalica, S.R. Curs 7, I.1.3.5.2.). 2. Din alcadiene: aditia halogenului molecular si a hidracizilor (Aditii Electrofile, A.E. Curs 8, I.1.4.2.2.1.). 3. Din alchine: aditia halogenului molecular si a hidracizilor (Aditii Electrofile, A.E. Curs 8, I.1.5.2.2.2.). aditia halogenului molecular la enine (Aditii Electrofile, A.E., Curs 8, I.1.5.2.2.2.). cicloaditia (insertia π 2 n 2 ) diclorocarbenei singlet (Curs 8, I.1.5.2.2.3.). 4. Din arene: inlocuirea hidrogenului atasat nucleului aromatic de catre halogen (Substitutie Electrofila, S.E. Curs 8, I.2.3.2.4.). inlocuirea hidrogenului din catena laterala cu halogen (Substitutie Radicalica, Curs 9, I.2.3.5.). II.1.3.3. Compusi halogenati din alte functiuni organice 1. Din alcooli (RO): inlocuirea grupei hidroxilice (O) cu un atom de halogen (X) (Substitutii Nucleofile, S.N.). prin tratare cu hidracizi (X): RO X RX 2 O Reactivitatea hidracizilor in acest proces scade in sensul scaderii tariei lor: I > Br > > F Reactivitatea alcoolilor in acest proces scade in sensul scaderii stabilitatii carbocationilor pe care ii furnizeaza, in mediu acid (Curs 7, I.1.3.3.1.2.): tertiar > secundar > primar. prin tratare cu halogenuri ale acizilor anorganici ai fosforului si sulfului: RO PX 5 RX POX 3 X Pentahalogenura de fosfor 3 RO PX 3 3 RX 3 PO 3 Trihalogenura de fosfor 14
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. RO SOX 2 RX SO 2 X Dihalogenura de tionil Se aplica in cazul obtinerii compusilor clorurati si bromurati, rar pentru cei iodurati; nu se aplica in cazul sintezei compusilor fluorurati. Reactiile necesita mediu anhidru deoarece halogenurile acizior anorganici hidrolizeaza (violent) in contact cu apa (inlocuieste pe R cu in reactiile de mai sus!). 2. Din cetone: tratare cu pentahalogenuri ale fosforului: 3. Din alti compusi halogenati: R 2 C=O PX 5 R 2 CX 2 POX 3 X:, Br Este metoda de obtinere a compusilor dihalogenati geminali, in mediu anhidru. Substitutia Nucleofila (S.N.) a halogenilor intre ei: 2 RX gf 2 2 RF gx 2 R KI RI K Este o metoda de obtinere a compusilor fluorurati si iodurati din cei clorurati sau bromurati. prin reactii de Eliminare E2 din compusi halogenati saturati vicinali sau geminali RCXCXR RC=CXR X RCX 2 C 2 R RCX=CR X Este metoda de obtinere a compusilor clorurati si bromurati nesaturati, in condiile tipice Eliminarilor E2: in prezenta bazelor tari (NaO, KO, RO Na, RO K, Curs 7, I.1.3.3.1.1.), la cald, dupa Regula lui Zaitsev. II.1.4. Proprietati fizice Starea de agregare: compusii monohalogenati cu mase moleculare mici sunt gaze sau lichide usor volatile (C 3 gaz, C 3 Br p.f. = 1 o C, C 3 I p.f. = 38 o C); o data cu cresterea masei moleculare (inclusiv cresterea numarului de atomi de halogen) devin lichide cu puncte de fierbere din ce in ce mai mari. 15
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. Sunt insolubili in apa si au densitatea mai mare ca a apei; densitatea creste odata cu crestera numarului de atomi de halogen. Moleculele compusilor halogentai sunt polare datorita polaritaii legaturilor CX. Conjugarea si simetria schimba profund momentul dipol molecular, de exemplu: C 3 2 C δ δ 2 C=C : δ δ C=C δ δ μ = 2.26 D orto μ = 2.02 D μ = 1.44 D μ = 1.48 D meta μ = 0.00 D para μ = 1.86 D cis μ = 0.00 D trans II.1.5. Reactivitatea compusilor halogenati Prin reactivitate a compusilor halogenati in context se va intelege capacitatea acestor compusi organici de a da reactii de substitutie sau eliminare a halogenului: in ambele cazuri are loc scindarea pe cale heterolitica a legaturii CX. Din punct de vedere al reactivitatii, compusii halogentai se clasifica in 3 (trei) categorii (vezi si Curs 8, I.2.3.2.5.1.): COMPUSI ALOGENATI CU REACTIVITATE NORMALA: de forma C n 2n1 X continand o legatura σ Csp3Xp. COMPUSI ALOGENATI CU REACTIVITATE MARITA: in care atomul de halogen este legat de un atom de carbon hibrid sp 3 (σ Csp3Xp ) situat in pozitie alilica, propargilica sau benzilica fata de un sistem nesaturat alifatic sau aromatic: sp 3 sp 3 sp 3 C C C X C C C X C X Pozitie: Alilica Propargilica Benzilica COMPUSI ALOGENATI CU REACTIVITATE SCAZUTA: in care atomul de halogen este direct legat de un atom de carbon hibrid sp 2 (σ Csp2Xp ), indiferent de tipul acestuia, alifatic sau aromatic. II.1.5.1. Reactivitatea compusilor halogenati in reactiile de Substitutie Nucleofila (S.N.) Reactiile de Substitutie Nucleofila (S.N.) pot fi descrise prin urmatoarele scheme generale: 16
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. Prin Nucleofil cu sarcina, Nu: la atomul de carbon hibrid sp 3 Atac nucleofil Grupa FUGACE (Leaving Group, preia cu ea electronii din fosta legatura σ) Nu: R δ L δ NuR L: de exemplu X : F < < Br < I Nucleofil scade energia de legatura CX (aduce cu el perechea de scade bazicitatea anionului de halogenura electroni a viitoarei legaturi σ) creste aptitudinea de a fi Grupa FUGACE EXEMPLU: C 3 2 C δ Br: δ :C N: C Nu: 3 2 CC N: :Br: Nucleofil 17 Prin Nucleofil fara sarcina, Nu: la atomul de carbon hibrid sp 3 Atac nucleofil Nu: R δ L δ [Nu R] L: Nucleofil (aduce cu el perechea de electroni a viitoarei legaturi σ) EXEMPLU: C 3 2 C δ Br: δ :N 3 Nu: Nucleofil [C 3 2 CN 3 ] :Br:
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 18 Reactivitatea compusilor halogenati fata de nucleofili se manifesta ca o competitie intre doua procese fundamentale: Substitutia Nucleofila (S.N.) a halogenului care duce la formarea altui compus functional. Reactia de Eliminare (E1, E2) a hidracidului care duce la formarea de compusi nesaturati (e.g., alchene, Curs 7, I.1.3.3.1.). DE RETINUT: Unul si acelasi reactant se poate manifesta: DE PRECIZAT: CA NUCLEOFIL (cu sau fara sarcina, Nu: sau Nu:) daca ataca preferential atomul de carbon polarizat pozitiv C δ manifestand afinitate pentru acesta si, prin extrapolare, orice centru de reactie avand o sarcina (partial) pozitiva localizata la un heteroatom (altul decat carbonul, S δ, P δ etc.). CA BAZA (cu sau fara sarcina, B: sau B:) daca ataca preferential un atom de hidrogen polarizat pozitiv δ manifestand, asadar, afinitate pentru proton. B A Z I C I T A T E A, ca si capacitate de a accepta protoni ( ) este o notiune termodinamica, fiind definita prin constanta de bazicitate K b. O baza este cu atat mai tare cu cat acidul sau conjugat este mai slab. De exemplu: I < Br < < F < CN < O < RO Baza cea mai Slaba Baza cea mai Tare I > Br > > F > CN > 2 O > RO Acidul ce mai Tare Acidul cel mai Slab N U C L E O F I L I C I T A T E A, ca si capacitate de a ataca atomul de carbon C δ (sau C, heteroatomi) manifestand afinitate fata de acestia este o notiune cinetica, fiind definita prin constante de viteza. Caracterul nucleofil este cu atat mai pronuntat cu cat atacul se desfasoara mai rapid. CLASIFICAREA NUCLEOFILILOR:
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. Duri: :F: < :: < O: < RO: < N 2 Alcoxid Amidura 19 Sensul cresterii caracterului dur Caracteristici generale: sunt anioni cu o sarcina negativa mare raportata la dimensiunile ionului. electronii neparticipani populeaza orbitali de energie joasa. in general: sunt NUCLEOFILI DURI bazele Brønsted tari cu afinitate pentru ELECTROFILI DURI: ioni cu sarcina pozitiva mare raportata la dimensiunile ionului [, F,, NO 2, R (carbocationi alchil), etc.] sau molecule neutre cu deficit de sarcina pe un orbital de joasa energie (BF 3, SO 3, etc.). Moi: 2 O < RO < N 3 < RN 2 < RS < Br < :I: Amina Tiol Sensul cresterii caracterului moale Caracteristici generale: sunt molecule neutre sau anioni cu o sarcina negativa mica raportata la dimensiunile ionului. electronii neparticipani populeaza orbitali de energie inalta si sunt usor polarizaibli. in general: sunt NUCLEOFILI MOI bazele Brønsted slabe (cu slaba afinitate pentru protoni!). manifesta afinitate pentru ELECTROFILII MOI, ioni cu sarcina pozitiva mica raportata la dimensiunile ionului (Br, I etc.) sau molecule neutre cu deficit de electroni pe un orbital de inalta energie (CO 2, etc.) EXEMPLE DE NUCLEOFILI: Nucleofili cu OXIGEN: RO > O > C 6 5 O > RCOO > 2 O Cel mai dur Fenoxid Carboxilat Cel mai moale Baza cea mai tare Baza cea mai slaba
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. Nucleofili cu CARBON: 3 C: > C 6 5 : > 2 C=C: > C C: > :C 2 NO 2 Cel mai dur Cel mai moale Baza cea mai tare Baza cea mai slaba C 6 5 : O: O: C 2 N C 2 N O: O: Stabilizat prin conjugare : NUCLEOFILI B I D E N T A T I : Ioni negativi in care sarcina este delocalizata: ei pot desfasura un atac nucleofil prin doi atomi diferiti, in functie de partenerul de reactie, de exemplu: R δ X δ (e.g. R: Me, Et, etc.) Dur Moale R δ X δ Nucleofili cu AZOT: R 2 N > RN 2 > N 3 > ArN 2 > Ar 2 N > po 2 NC 6 4 N 2 Cel mai dur Cel mai moale Baza cea mai tare Baza cea mai slaba C C O: C C O: N C O: N C O: Dur Moale C C O N C O C C O R Oalchilare R C C O Calchilare R N C O R N C O Oalchilare Nalchilare DE RETINUT: In urma unei reactii de Substitutie Nucleofila (S.N.) apare totdeauna Grupa Fugace (L: ) care este, de fapt, un Nucleofil dezlocuit. NUCLEOFILII MOI sunt Grupe Fugace mai bune decat NUCLEOFILII DURI, deoarece NUCLEOFILII MOI sunt baze mai slabe decat NUCLEOFILII DURI, de exemplu: F < < Br < I Nu: Dur Moale Baza Tare Slaba Creaste fugacitatea 20
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. II.1.5.1.1. Reactii de Substitutie Nucleofila Monomoleculara (SN 1 ) Sunt caracteristice compusilor halogenati care pot forma carbocationi stabili(zati): prin efecte inductive I (halogenuri tertiare) sau de conjugare (halogenuri benzilice, alilice si propargilice) de exemplu: 2 O / 25 o C (C 3 ) 3 CBr (C 3 ) 3 CO (C 3 ) 2 C=C 2 Br Produs SN 1 Produs E1 21 Mecanism: Etapa 1: Etapa 2: sp 3 (C 3 ) 3 CBr Lent sp 2 (C 3 ) 3 C δ.br δ (C 3 ) 3 C Br Stare de tranzitie SN 1 sp 2 (C 3 ) 3 C Rapid O 2 (C 3 ) 3 C δ sp 3 O δ 2 (C 3 ) 3 CO 2 2 O 3 O (C 3 ) 3 CO Orbital "p" pur, vacant C 3 3 C sp 2 C 3 Factorii care influenteaza desfasurarea reactiei dupa mecanism SN 1 : a) Structura carbocationului intermediar: geometrie sp 2 bine definita, plantrigonala. b) Cu cat carbocationul este mai stabil(izat), viteza reactiei prin mecansim SN 1 creste, de exemplu: C 3 C 2 Br < (C 3 ) 2 CBr < (C 3 ) 3 CBr Viteza relativa: 1 11.6 1.2 10 6 Δ f (Kcal/mol) carbocation: 184 164 149 c) Reactioneza prin mecanism SN 1 si compusii halogenati cu reactivitate marita, deoarece sunt surse de carbocationi stabili(zati) prin conjugare: propargil, alil, benzil. d) Cu cat carbocationul intermediar este mai incarcat steric, mecanismul SN 1 este favorizat. e) Cu cat solventul este mai polar, inclusiv capabil de a dezvolta legaturi de hidrogen, viteza reactiei prin mecanism SN 1 creste prin aceea ca: i) creste nucleofilicitatea deoarece, prin solvatare, nucleofilul este mai bine separat de contraionul sau: NaCN Na (solvatat) CN (solvatat)
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 22 ii) starea de tranzitie este mai polara decat substratul de pornire, atingerea ei fiind favorizata de catre solventul polar care o stabilizeaza: nivelul ei energetic scade, implicit si energia de activare. iii) solventul polar solvateaza mai bine gruparea fugace. Particularitati privind stereochimia reactiilor de Substitutie Nucleofila Monomoleculara (SN 1 ) Deoarece reactia decurge prin intermediul unui carbocation cu geometrie plana, trigonala, fetele acestuia sunt expuse, in etapa rapida a mecanismului, in mod egal, atacului nucleofilului. In cazul compusilor enantiomeric puri, substituirea unui ligand la centrul chiral prin mecanism SN 1 poate duce, la limita, la pierderea totala a puritatii enantiomerice, produsul de reactie rezultand sub forma unui racemic, de exemplu: Ph sp 3 Br S C 3 Lent Br S1bromo1feniletan Enantiomeric pur Ph 50% 50% C 3 Rapid 2 O Carbocation de tip benzil stabilizat prin conjugare cu ambele fete expuse, la limita, statistic atacului nucleofil Ph Ph sp 3 sp 3 O S R O C 3 C 3 S1feniletanol Racemic II.1.5.1.2. Reactii de Substitutie Nucleofila Dimoleculara (SN 2 ) R1feniletanol Sunt caracteristice compusilor halogenati i n c a p a b i l i sa genereze carbocationi stabili(zati) de exemplu: C 3 C 2 Br O C 3 C 2 O Br Produs SN 2 Mecanism: Caracteristica fundamnetala a Mecanismului SN 2 este aceea ca decurge prin intermediul unei s t a r i de t r a n z i t i e ( proces concertat ) in care, temporar, noua legatura si cea preexistenta coexista ansmablul procesului constand dintrun transfer de energie de legatura.
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. sp 3 O: Lent Br: Br: δ Me O δ sp2 sp 3 O Me :Br: Me Stare de tranzitie pentacoordinata Factorii care influenteaza desfasurarea reactiei dupa mecanismul SN 2 : a) Prin mecanism SN 2 viteza de reactie scade univoc in seria: C 3 X > RC 2 X > R 2 CX > R 3 CX E pot. R δ L δ R δ Nu δ E pot. Nu δ.r.l δ 23 Scade viteza prin mecanism SN 2 Creste stabilitatea carbocationului Creste impedimentarea sterica la centrul de reactie b) Reactiile prin mecanism SN 2 sunt foarte sensibile la influenta solventului, dupa cum urmeaza: i) in cazul nucleofililor cu sarcina Nu: RL R Stabil(izat) E a1 E a2 E a1 > E a2 RL Nu: RNu Progresul reactiei SN 1 SN 2 E a RNu L: Progresul reactiei v = k [RL] ord. I SN 1 v = k [RL] [Nu: ] ord. II SN 2 Nu: RX [Nu δ. R X δ ] NuR X: SOLVENTII POLARI SI P R O T I C I incetinesc reactia datorita solvatarii puternice si chelatarii prin legaturi de hidrogen a Nu: ; starea de tranzitie este putin afectata deoarece sarcina ei negativa este disipata pe trei centre de exemplu: SN 2 C 3 Br O (faza gazoasa) ( 2 O) n C 3 O Br n 2 O n: 0 1 2 3 v(rel.) : 1 0.6 0.02 0.002 10 16
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 24 SOLVENTII POLARI dar N E P R O T I C I [C 3 COC 3 acetona, 3 CSOC 3 (DMSO) dimetilsulfoxid, (C 3 ) 2 NCO N,Ndimetilformamida (DMF)] maresc spectaculos viteza reactiei (pana la de10 6 ori!) deoarece solvateaza mult mai bine prin interactii iondipol cationii aferenti nucleofilului anionic care devine astfel mult mai liber si mai reactiv: K O, K CN, etc. ii) in cazul nucleofililor fara sarcina Nu: Nu: RX [Nu δ.r.x δ ] Nu R X: solventii polari si protici accelereaza desfasurarea reactiei deoarece starea de tranzitie, mai polara decat reactantii, este mai solvatata decat acestia. Particularitati privind stereochimia reactiilor de Substitutie Nucleofila Dimoleculara (SN 2 ) In cazul compusilor chirali, reactia are loc cu inversia configuratiei relative a centrului chiral Inversia Walden. nc 6 13 O: Br: S 3 C S2bromooctan Lent O δ nc 6 13 Br: δ C 3 nc 6 13 O :Br: R C 3 R2octanol II.1.5.1.3. Reactivitatea compusilor halogenati alilici si benzilici Acesti compusi halogenati au reactivitate marita prin ambele tipuri de mecanisme, cel SN 1 ramanand totusi cel preferat: Mecanism SN 1 : C 3 C 2 X < C 2 =CC 2 X < C 6 5 C 2 X < (C 6 5 ) 2 CX Viteza relativa: 1 33 380 100000 Cresterea stabilitatii carbocationului intermediar
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 25 Mecanism SN 2 : (C 3 ) 2 CX < C 3 C 2 X < C 3 X < C 2 =CC 2 X < C 6 5 C 2 X Viteza relativa: 0.03 1 30 40 120 Sensul scaderii impedimentarii sterice la centrul de reactie starea de tranzitie pentacoordinata preia sarcina nucleofilului pe un orbital π delocalizat. Nu sp 2 sp 2 L Nu L II.1.5.1.4. Competitia intre reactivitatea prin Substitutie Nucleofila (S.N.) vs. Eliminare (E) in clasa compusilor halogenati Observatii generale: Bazele tari (Nucleofilii duri) favorizeaza procesul spre un mecanism SN 2 E2. Bazele slabe (Nucleofilii moi) favorizeaza procesul spre un mecanism SN 1 E1. Temperatura ridicata favorizeaza procesele de eliminare (E) fata de substitutie (S) deoarece energia de activare a reactiilor de eliminare este mai ridicata in raport cea necesara celor de substitutie. EXEMPLE: i) Cazul halogenurilor primare care sunt slab reactive deoarece nu genereaza carbocationi stabili, nu sunt incarcate steric la centrul de reactie. Reactioneaza prin mecanism SN 2 si dau rar produsi de eliminare E2: prefera substitutia in locul eliminarii. C 3 C 2 O: Na (EtO C 3 C 2 Br Na ) Δ 2 C=C 2 C 3 C 2 OC 2 C 3 NaBr Produs E2: 1% Produs SN 2 : 99%
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. ii) Cazul halogenurilor secundare a caror reactivitate depinde esential de temperatura si agentul nucleofil: EtO Na Δ C 3 CBrC 3 EtO 20% 2 O 80% t.a. 2 C=CC 3 (C 3 ) 2 COC 2 C 3 NaBr Produs E2: 78% Produs SN 2 : 22% 2 C=CC 3 (C 3 ) 2 COC 2 C 3 Br Produs E1: 5% Produs SN 1 : 95% 26 iii) Cazul halogenurilor tertiare, surse de carbocationi stabili, care reactioneaza prin mecanism E2 la incalzire dar prin mecanisme monomoleculare (E1, SN 1 ) la temperatura ambianta: (C 3 ) 3 CBr EtO Na Δ EtO 20% O 80% t.a. (C 3 ) 2 C=C 2 (C 3 ) 3 COC 2 C 3 NaBr Produs E2: 99% Produs SN 2 : 1% (C 3 ) 2 C=C 2 (C 3 ) 3 CO Br Produs E1: 20% Produs SN 1 : 80% In cazul derivatilor dihalogenati geminali si vicinali, competitia Substitutie vs. Eliminare poate fi complet deplasata in sensul Eliminarii E2, in prezenta bazelor mai tari ca ionul hidroxil, evident, in conditii anhidre. EXEMPLU: Prepararea alchinelor cu legatura tripla interna sau marginala: RC 2 CX 2 R Na N 2 Compus dihalogenat geminal RCXCXR Compus dihalogenat vicinal NaX N 3 Conditii anhidre! [ RC=CXR ] Compus halogenat cu reactivitate scazuta Na N 2 NaX N 3 Conditii anhidre! [ RC CR ] Alchina cu legatura tripla interna
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 3 Na N 2 (C 3 ) 3 CC 2 C 2 O 2 [ (C 2 Na 3 ) 3 CC C: Na ] NaO (C 3) 3 CC C 1,1Dicloro3,3dimetilbutan Forma sodata a alchinei 3 N 3,3Dimetil1butina 3 NU SE IZOLEAZA (56 60 %) 9 7 5 3 1 2 3 Na N 2 2 O 9 7 5 3 2 10 8 4 Br C 6 2 NaBr C: Na Br NaO 10 C 1 8 6 4 C 1,2Dibromodecan 3 N 3 1Decina (54%) 27 Nota 1: conditiile dure de eliminare se explica prin reactivitatea scazuta a intermediarului monohalogenat. Nota 2: pentru sinteza organica actuala este importanta sinteza alchinelor cu tripla legatura marginala. II.1.5.1.5. ase de compusi organici care se pot obtine din compusi halogenati prin reactii de Substitutie Nucleofila A) ETERI si TIOETERI (Nu: cu oxigen sau sulf): RX R'O: M ROR' MX Alcoxizi alcalini Eteri RX R'S: M RSR' MX Tiolati alcalini Tioeteri B) ESTERI ai ACIZILOR CARBOXILICI (Nu: cu oxigen): RX R'COO: Ag ROCOR' AgX Carboxilati de argint Esteri C) NITRILI (Nu: cu carbon): RX K :C N RC N KX Nitrili D) ALCINE (Nu: cu carbon) (vezi si Curs 8, I.1.5.2.3.): RX M :C CR' RC CR' MX Acetiluri alcaline Alchine
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. E) ESTERI ai ACIDULUI AZOTIC (Nu: cu oxigen): :O: RX N O: :O: F) SULFONATI ALCALINI (Nu: cu sulf): :O: RX 2 Na S O: :O: G) ALOGENURI de AMONIU (Nu: cu azot): RONO 2 X: Esteri ai acidului azotic R δ X δ N R N Amine RSO 3 Na NaX Sulfonat de sodiu X: alogenuri de amoniu Nota: totalitatea acestor variante de sinteza se refera numai la compusi halogenati cu reactivitate normala sau marita; X este, de regula, clor sau brom. II.1.5.1.6. Substitutia Nucleofila la atomul de carbon aromatic hibrid sp 2 II.1.5.1.6.1. Prin mecanism E1cb Substitutia nucleofila a halogenilor legati direct de atomul de carbon aromatic (compusi halogenati cu reactivitate scazuta) nu reuseste decat in conditii extrem de dure de exemplu: 300 atm 350 o C C 6 5 2 NaO C 6 5 O Na Na 2 O Fenoxid de sodiu, Na C 6 5 O Fenol In pofida conditiilor drastice, este o metoda industriala preferata de fabricare a fenolilor din cloroderivati aromatici, mult mai ieftini decat analogii X = F, Br, I. 28
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. Mecanism: 29 In absenta pe ciclul aromatic a vreunui alt substituent cu efect E puternic, mecanismul este E1cB (Curs 7, I.1.3.3.1.1.) urmat de o Aditie Nucleofila (A. N.), global, o substitutie. (I X ) X δ δ Rapid B: Baza puternica B Acid Baza conjugata slab B: : O tare, :N 2 (conditii anhidre!) X Lent X: (Eliminare unimoleculara din Baza conjugata: E1cB) ( * ) Benzin (Arin) B Aditie nucleofila Are caracter aromatic (izolabil la cca. 8 K si cu spectru IR cunoscut) ( * ) Marcaj izotopic ca 14 C (optional) O N 2 ( * ) O ( * ) N 2 Fenil amina (anilina) O ( * ) ( * ) N 2 Factor favorizant 1: extragerea protonului de catre baza are loc cu atat mai rapid cu cat halogenul are efect I mai puternic: F > > Br > I (in sensul scaderii vitezei de deprotonare). Factor favorizant 2: eliminarea halogenului are loc cu atat mai rapid cu cat legatura partial dubla Csp 2 X este mai slaba: I > Br > > F (in sensul scaderii vitezei de expulzare a halogenului). Nota: etapa de Aditie Nucleofila nu este orientata in cazul arinului ca atare; ea devine insa orientata (regioselectiva) in cazul prezentei pe ciclul arinic a unui substituent cu efect I sau I, de exemplu:
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. I C3 I C 3 Na N 2 N 3 Na δ C 3 δ N 3 C 3 Deprotonare dictata de efectul I Aditie nucleofila dictata de efectul I Me N 2 30 I Na N 2 N 3 Na I N 3 δ δ Deprotonare si Aditie nucleofila dictate de efectul I N 2 II.1.5.1.6.2. Prin mecanism SN 2 Ar In cazul in care pe ciclul aromatic in pozitiile orto si / sau para fata de atomul de halogen exista grupe cu un puternic efect electronoatragator E (implicit I care insa nu este relevant), legatura C sp2 X este labilizata. Labilizarea legaturii C sp2 X fiind factorul esential, ea se accentueaza pe masura ce: i) numarul grupelor labilizante cu efect E creste (tipic, NO 2 ). ii) efectul E al grupei labilizante este mai mare (e.g. NO 2 > COO etc.)
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 31 EXEMPLU de mecanism tipic: I X X X N N : O O: : O O : E NO2 Lent :O X O N : O O : Pondere majora X O N : O O : X O N : O O : X O N O O 0.5 Structura mezomera X : O O : 0.5 N Complex Jackson Meisenheimer stabilizat prin conjugare (sarcina negativa este disipata pe 8 centre) In conditiile de reactie: rapid po 2 NC 6 4 O O 2 O (baza) po 2 NC 6 4 O Acid pnitrofenoxid (acid mai tare ca pnitrofenolul) O po 2 NC 6 4 O Rapid X: O NO 2 pnitrofenol Izolat si bine caracterizat in unele cazuri Factor favorizant 1: efectul I (electronegativitatea) halogenului, viteza procesului scad in ordinea F > > Br > I. Factor favorizant 2: cu cat efectul E al substituentilor creste, odata cu cresterea numarului acestora, reactia are loc tot mai rapid, in conditii tot mai blande. Nota: viteza reactiei nu depinde de natura nucleofilului 2 O, O, N 3, RN 2, etc.
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. II.1.5.2. Reactia cu unele metale In conditii riguros anhidre ( 2 O de ordinul ppm! adica 10 6!!!), compusii halogenati reactioneaza cu unele metale prin inlocuirea de catre acesta a halogenului, de exemplu: Cu Li metalic Reactia este aplicata mai ales in cazul derivatilor bromurati (R alchil) prin tratare directa a acestora cu Li metalic. RX 2 Li RLi LiX R X: Li R :X: Li R Li R Compusii de alchil litiu sunt folositi ca baze organice foarte puternice in medu anhidru (pka 50!,) si in absenta oxigenului (vezi si Curs 8, I.2.3.1.). Cu Mg metalic Reactia este aplicabila in cazul majoritatii compusilor halogenati RX: Eter anhidru, reflux RX Mg RMgX R X: Mg R. :X:. Mg R Mg Schlenk :X: R Mg X: Compusii rezultati sunt cunoscuti mai ales sub denumirea de compusi organomagnezieni sau compusi Grignard. Particularitatile structurale ale compusilor halogenati care influenteaza reactia sunt: i) reactivitatea acestora fata de magneziu scade in ordinea I > Br >. ii) compusii halogenati cu reactivitate scazuta necesita temperaturi mai ridicate prin alegerea unui solvent eteric cu punct de fierbere mai ridicat. iii) in cazul compusilor halogenati cu reactivitate marita reactia se executa la rece. Li RMgR MgX 2 Et Et Et O : Mg O: Et X : Mg X : R R 32
Mircea Darabantu CIMIE ORGANICA an II Ing. CURSIX Pag. 33 TF (60 o C) sau DME (100 o C) reflux 2 C=CBr Mg 2 C=CMgBr Bromura de vinil magneziu Eter etilic 20 o C 2 C=CC 2 Br Mg 2 C=CC 2 MgBr Bromura de alil magneziu C 3 C 2 OC 2 C 3 O TF Tetrahidrofuran C 3 OC 2 C 2 OC 3 DME 1,2Dimetoxietan Solventul eteric anhidru este necesar pentru a solubiliza si stabiliza organomagnezianul sub forma unui chelat al RMgX. Compusii organomagnezieni nu sunt stabili in prezenta donorilor de protoni chiar (foarte) slabi (compusi cu protoni mobil RO, O, RCOO, RN 2 etc.) care ii descompun i n s t a n t a n e u : δ δ R MgX R MgX Aceasta instabilitate poate fi insa exploatata la prepararea Reactivilor Grignard ai alchinelor (pka 25) cu tripla legatura terminala (marginala): δ RC C δ δ δ BrMg C 2 C 3 RC CMgBr C 2 C 3 Reactivii organomagnezieni (Grignard) sunt utilizati ca si Nucleofili cu Carbon fata de Electrofili cu Carbon in reactii desfasurate in mediu anhidru, in absenta oxigenului atmosferic, care duc la formarea de noi legaturi CC. δ δ C MgX C C C MgX