Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση Νικόλαος Αργυρόπουλος Θεσσαλονίκη 2007
Τυπικές αντιδράσεις ηλεκτρονιόφιλης αρωµατικής υποκατάστασης
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.
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
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
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
Αρωµατικότητα-18 Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση Ενεργειακό διάγραµµα Br Br a Br Br G 0 Reaction coordinates
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
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
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
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).
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
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
Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-4 ραστικότητα υποκατεστηµένων αρωµατικών ενώσεων N 2 1000 1 0.033 6x10-8 ραστικότητα
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
Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-5 οµές συντονισµού ενδιαµέσων σ-συµπλόκων X X X X X X X X X
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-.
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.
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)
Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση σε υποκατεστηµένα συστήµατα-9 οµές συντονισµού ενδιαµέσων σ-συµπλόκων. έκτες I, -R.
Συνοπτικός πίνακας επιδράσεων υποκαταστατών
Κλίµακα δραστικότητας υποκαταστατών
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
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
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)
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
Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλογόνωση -1 Σχηµατισµός ηλεκτρονιόφιλου αντιδραστηρίου X 2 + FeX 3 X + FeX 4 X + FeX 4 X + X + FeX 3 X + 2 + X X =, Br
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
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 2 + 2 N 2 + 2 N 3 2 I + 2
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
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
Νίτρωση αρωµατικών ενώσεων-2 Μηχανισµός 2 + N 2 N 2 N 2 Νιτροβενζόλιο
Νίτρωση αρωµατικών ενώσεων-3 Νίτρωση ενεργοποιηµένων δακτυλίων N 3 + N N 3 2 + N 3 + 2 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
Σουλφονίωση αρωµατικών ενώσεων-1 Μηχανισµός + S 2 S 4 S + S 4 S S 3 S
Σουλφονίωση αρωµατικών ενώσεων-2 1. Na, 300 0 C 3 C S 3 2. 2, 3 C Σύντηξη µε πυκνά αλκάλια / 2 3 C Αποµάκρυνση σουλφονικής οµάδας)
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 4 + 3 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
Ηλεκτρονιόφιλη αρωµατική υποκατάσταση. Αλκυλίωση Friedel Crafts -1 C 3 C 2 C 3 + 3 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
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 %
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
Άλλες πηγές καρβοκατιόντων R + R + 2 +
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
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
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
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
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.
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/ ])
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
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