Aromatski ugljikovodici benzen II dio - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemiju... · Sve...
Transcript of Aromatski ugljikovodici benzen II dio - pmf.unsa.ba za organsku hemiju i biohemiju... · Sve...
Aromatski ugljikovodici – benzen
II dio
• Karakterističan tip reakcije benzena i njegovih derivata.
• Benzen podliježe reakciji supstitucije u prisustvu elektrofilne čestice ("+" naelektrisana čestica kod koje postoji težnja za primanjem elektrona).
• π-Elektronski oblak predstavlja izvor elektrona za vezivanje sa elektrofilom – benzen posmatramo kao Lewis-ovu bazu.
Y+
Y
Opšti mehanizam elektrofilne aromatske supstitucije:
sporo : B brzo
Supstitucija elektrofila
na benzenu - SE
Halogeniranje
Nitriranje
Sulfonovanje
Alkiliranje
Aciliranje
Aromatski prsten
Pet najpoznatijih ELEKTROFILNIH AROMATSKIH SUPSTITUCIJA:
• Brom (Br), hlor (Cl) ili iod (I) zamjenjuju H atom; reagensi: Br2/FeCl3; Cl2/AlCl3 ili FeCl3; I2/HNO3 ili CuCl2
katalizator
: Baza
Nitro grupa (NO2) zamjenjuje H atom
Nitrobenzen
nitratna kiselina
• Nitro spojevi se mogu reducirati do arilamina
• Sulfonovanje je povratna reakcija
Benzensulfonska kiselina
Sulfo grupa (SO3H) zamjenjuje H atom
Neki sulfo-preparati
Opšta struktura Sulfametoksazol
(gantamol)
Antibakterijsko dejstvo
Sulfadiazin
(antimalarik)
Sulfalen
(kelficin; antiparazitsko
djelovanje)
• Alkilna grupa (R) zamjenjuje H-atom
James Mason Crafts (1839 –1917)
Charles Friedel (1832 –1899)
Etilbenzen
• Acilna grupa (RC=O) zamjenjuje H atom
Kiselinski halogenid
Keton
Acilna grupa (RC=O) može poticati iz kiselinskih hlorida ili kiselinskih anhidrida:
Acetilhlorid Acetofenon
Acetofenon Acetanhidrid
Acil-supstituirani benzeni mogu se prevesti u alkil-supstituirane benzene redukcijom uz H2/Pd:
alkil-supstituirani benzen
acil-supstituirani benzen
benzen cikloheksanC6H6 C6H12
3 H2
Pd
benzen cikloheksanC6H6 C6H12
3 H2
Pd
benzen cikloheksanC6H6 C6H12
3 H2
Pd
H
UV
3 Cl2
Cl
Cl
Cl
Cl
ClH
H
H
HH Cl
benzen 1,2,3,4,5,6-heksahlorcikloheksan (heksahloran)
CH3 COOH CH CH3H3C
Toluen Benzojeva Kumen
kiselina
[O] [O]
UVCH3 COOH CH CH3H3C
p-Ksilen 1,4-Benzen- p-Metilizopropilbenzen dikarboksilna kiselina (4-Izopropiltoluen)
[O] [O]
CH3 CH3COOH
(Tereftalna kiselina)
Oksidacija alkilnog supstituenta može se vršiti sa KMnO4 ili
Na2Cr2O7/H+; benzen je stabilan i neće se oksidirati:
Toluen Benzojeva kiselina
m-butilizopropilbenzen
m-benzendikarboksilna kiselina
Bez obzira na dužinu lanca alkilnog supstituenta, on će
se oksidirati do COOH grupe, ako ima hidrogen vezan za
benzilni karbon
Butilbenzen Benzojeva kiselina
terc-Butilbenzen
Nema reakcije
Nema benzilni
hidrogen
O2(u višku) /V2O3, 350°C
Naftalen 1,2-Benzendikarboksilna kiselina (Ftalna kiselina)
COOH[O]
COOH
+ 3 O3
O3
O3
O3 3 H C C H + 3 H2O2
O O
• Ozonoliza
Benzen Benzentriozonid Glioksal (Etandial)
Br2
Toluen Benzilbromid
CH2BrCH3
svjetlost + HBr
Toluen Benzil hlorid (Dihlormetil)benzen (Trihlormetil)benzen
(Benzal hlorid) (Benzotrihlorid)
> >
X Y
p-
o- o-
m-m-
X je elektrondonor; Y je elektronakceptor; prsten postaje bogat prsten je osiromašen
elektronima i elektronima i veoma reaktivan manje reaktivan
• Efekat supstituenata na benzenu na reaktivnost u reakcijama EAS
Sve aktivirajuće grupe su orto- i para-dirigujuće, a sve deaktivirajuće grupe, osim halogena, su meta-dirigujuće. Halogeni su jedinstveni kao
orto- i para-dirigujući deaktivatori.
CH3
+ Br2FeBr3
CH3 CH3
Br
Br
+
Br
OCH3
FeBr3+ 3 Br2
OCH3
Br
Br
toluen o-bromtoluen p-bromtoluen
metoksibenzen 2,4,6-tribrommetoksibenzen
Toluen
o-Toluensulfonska kiselina p-Toluensulfonska kiselina Toluen
o-Nitrotoluen
p-Nitrotoluen
Anilin
Fenol
Nema katalizatora!
+
Br
Cl
Br
AlCl3+ Cl2
Br
Cl
Brombenzen o-Bromhlorbenzen p-Bromhlorbenzen
Brombenzen o-Dibrombenzen p-Dibrombenzen
Br
FeBr3+ Br2
NO2 NO2
Nitrobenzen m-Bromnitrobenzen
Benzojeva kiselina m-Nitrobenzojeva kiselina
• Predložite sinteze navedenih jedinjenja polazeći od benzena:
• a) p-brombenzensulfonske kiseline
• b) m-brombenzensulfonske kiseline
• c) p-bromnitrobenzen
• d) m-bromnitrobenzen
NO2
+ CH3CCl
O CCH3
O
AlCl3 HNO3
H2SO4
O
CCH3
m-nitroacetofenon
NO2
+ CH3CCl
O CCH3
O
AlCl3 HNO3
H2SO4
O
CCH3
NO2
+ CH3CCl
O CCH3
O
AlCl3 HNO3
H2SO4
O
CCH3
NO2
+ CH3CCl
O CCH3
O
AlCl3 HNO3
H2SO4
O
CCH3
NO2
+ CH3CCl
O CCH3
O
AlCl3 HNO3
H2SO4
O
CCH3
NO2
+ CH3CCl
O CCH3
O
AlCl3 HNO3
H2SO4
O
CCH3 NO2
+ CH3CCl
O CCH3
O
AlCl3 HNO3
H2SO4
O
CCH3
X
Iako oba supstituenta, NO2 i CH3C=O, diriguju istu, meta poziciju,
zbog ograničenja Friedel-Craftsove reakcije, nitrobenzen se ne
može acilirati!
• Mogu se koristiti samo alkilhalogenidi (F, Cl, I, Br)
• Aril – i vinil-halogenidi ne reaguju (njihovi karbokatjoni se teško stvaraju)
• Nema reakcije kada se na prstenu nalazi amino- ili dezaktivirajuća grupa
• -NH2, -NHR ili –NR2 grade kompleks sa katalizatorom
Nema reakcije
kada je
• Jako aktivirajuće grupe imaju prednost nad umjereno ili slabo aktivirajućim, a one imaju prednost nad deaktivirajućim grupama
Oba supstituenta
diriguju isti položaj
p-Metilbenzojeva kiselina 3-Brom-4-metilbenzojeva kiselina
suviše otežano
m-Hlortoluen 3,4-Dihlortoluen 2,5-Dihlortoluen
o-Nitrotoluen 2-Hlor-6-nitrotoluen 4-Hlor-2-nitrotoluen
Ne nastaje
• Kako sintetizirati 4-brom-2-nitrotoluen polazeći od benzena?
• Nacrtati strukturu tražene molekule, identificirati supstituente i podsjetiti se kako se svaka grupa može pojedinačno uvesti.
• Tri supstituenta na prstenu su brom, metilna grupa i nitro grupa.
• Brom se može uvesti bromiranjem sa Br2/FeBr3.
• Metilna grupa može se uvesti Friedel-Craftsovim alkiliranjem sa CH3Cl/AlCl3.
• Nitro grupa se može uvesti nitriranjem sa HNO3/H2SO4
4-brom-2-nitrotoluen
o-Nitrotoluen
Ovaj prsten bromiranjem će
dati smjesu izomera
m-Bromnitrobenzen
Ovaj deaktivirani prsten ne podliježe
Friedel-Craftsovoj reakciji
p-Bromtoluen
Ovaj prsten nitriranjem će
dati samo željeni izomer
4-brom-2-nitrotoluen
Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati traženi 4-brom-2-nitrotoluen?
• Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati p-bromtoluen?
• Moguća su dva rješenja, bromiranjem toluena ili Friedel-Craftsovim alkiliranjem brombenzena iako nastaje smjesa dva izomera koji se moraju razdvojiti:
Toluen p-Bromtoluen Brombenzen (+ orto izomer)
• Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati toluen? Metiliranjem benzena u Friedel-Craftsovoj reakciji.
• Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati brombenzen? Bromiranjem benzena.
• Retrosintetska analiza pokazala je dva moguća puta od benzena do 4-brom-2-nitrobenzena:
Benzen
Toluen
Brombenzen
p-Bromtoluen 4-Brom-2-nitrotoluen
• Kako sintetizirati 4-hlor-2-propilbenzensulfonsku kiselinu iz benzena?
• Nacrtati strukturu tražene molekule, identificirati supstituente i podsjetiti se kako se svaka grupa može pojedinačno uvesti.
• Tri supstituenta na prstenu su hlor, sulfonska grupa i propilna grupa.
• Hlor se može uvesti hloriranjem sa Cl2/FeCl3.
• Sulfonska grupa može su uvesti sulfonovanjem sa SO3/H2SO4
4-hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina
• Propilna grupa može se uvesti Friedel-Craftsovim aciliranjem sa CH3CH2COCl/AlCl3, koje prati redukcija sa H2/Pd. Direktno Friedel-Craftsovo alkiliranje sa CH3CH2CH2Cl/AlCl3 nije metoda izbora, zbog mogućnosti premještanja primarnog propil karbkationa, 1°, u stabilniji sekundarni izopropil karbkation, 2° pomakom H-atoma sa svojim elektronskim parom (hidridni ion H:-), sa C1 na C2, pa bi nastala smjesa dva izomera, sa propilnom, ali i sa izopropilnom grupom.
Hidridni
pomak
1° 2°
o-Propilbenzensulfonska
kiselina
Ovaj prsten hloriranjem će
dati pogrešan izomer
4-hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina?
p-Hlorbenzensulfonska kiselina
Ovaj deaktivirani prsten ne podliježe
Friedel-Craftsovoj reakciji
m-Hlorpropilbenzen
Ovaj prsten sulfonovanjem
će dati smjesu izomera koji
se dalje moraju razdvojiti
Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati tražena 4-hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina?
• Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati m-hlorpropilbenzen? • Pošto dva supstituenta imaju meta orijentaciju, prvi supstituent uveden
na prsten mora biti meta dirigujući kako bi se sljedeća supstitucija odigrala na odgovarajućoj poziciji.
• Pored toga, pošto se primarne alkil grupe kao što je propilna ne mogu direktno uvesti Friedel-Craftsovim alkiliranjem, predhodni spoj iz kojeg se može dobiti m-hlorpropilbenzen je m-hlorpropiofenon, koji se može katalitički reducirati.
m-hlorpropiofenon m-hlorpropilbenzen
• Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati m-hlorpropiofenon? Propiofenon koji se može hlorirati u meta poziciji.
Propiofenon m-Hlorpropiofenon
• Koji je predhodni spoj iz kojeg se može sintetizirati propiofenon? Benzen, koji podliježe Friedel-Craftsovom aciliranju sa propanoil hloridom i AlCl3.
Propiofenon Benzen
• Finalna sinteza polazeći od benzena odvija se u četiri koraka:
Benzen Propiofenon m-Hlorpropiofenon
4-Hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina m-Hlorpropiilbenzen
• Predloži sinteze navedenih jedinjenja iz toluena:
• a) 2-brom-4-nitrotoluena
• b) o-, m- i p-nitrobenzojeve kiseline
Reverzibilno sulfonovanje kao zaštitni postupak u sintezi