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 - S E Halogeniranje Aciliranje Aromatski prsten Nitriranje Alkiliranje Sulfonovanje
Pet najpoznatijih ELEKTROFILNIH AROMATSKIH SUPSTITUCIJA:
Brom (Br), hlor (Cl) ili iod (I) zamjenjuju H atom; reagensi: Br 2 /FeCl 3 ; Cl 2 /AlCl 3 ili FeCl 3 ; I 2 /HNO 3 ili CuCl 2 katalizator : Baza
Nitro grupa (NO 2 ) zamjenjuje H atom Nitrobenzen nitratna kiselina Nitro spojevi se mogu reducirati do arilamina
Sulfo grupa (SO 3 H) zamjenjuje H atom Benzensulfonska kiselina Sulfonovanje je povratna reakcija
Neki sulfo-preparati Opšta struktura Sulfametoksazol (gantamol) Antibakterijsko dejstvo Sulfalen (kelficin; antiparazitsko djelovanje) Sulfadiazin (antimalarik)
Alkilna grupa (R) zamjenjuje H-atom Charles Friedel (1832 1899) Etilbenzen James Mason Crafts (1839 1917)
Acilna grupa (RC=O) zamjenjuje H atom Kiselinski halogenid Keton
Acilna grupa (RC=O) može poticati iz kiselinskih hlorida ili kiselinskih anhidrida: Acetanhidrid Acetofenon Acetilhlorid Acetofenon
Acil-supstituirani benzeni mogu se prevesti u alkilsupstituirane benzene redukcijom uz H 2 /Pd: acil-supstituirani benzen alkil-supstituirani benzen
3 H 2 Pd 3 H 2 Pd 3 H 2 Pd benzen benzen C6H6 C6H6 cikloheksan cikloheksan C6H12 C6H12 benzen C6H6 ciklo C6
benzen 3 Cl2 UV Cl H Cl H H Cl Cl H H Cl H Cl 1,2,3,4,5,6-heksahlorcikloheksan (heksahloran)
CH3 COOH H3C CH CH3 [O] [O] Toluen Benzojeva Kumen kiselina CH3 COOH H3C CH CH3 [O] [O] CH3 COOH CH3 p-ksilen 1,4-Benzen- p-metilizopropilbenzen dikarboksilna kiselina (4-Izopropiltoluen) (Tereftalna kiselina)
Oksidacija alkilnog supstituenta može se vršiti sa KMnO 4 ili Na 2 Cr 2 O 7 /H + ; benzen je stabilan i neće se oksidirati: Toluen Benzojeva kiselina m-benzendikarboksilna kiselina m-butilizopropilbenzen
Bez obzira na dužinu lanca alkilnog supstituenta, on će se oksidirati do COOH grupe, ako ima hidrogen vezan za benzilni karbon Butilbenzen Benzojeva kiselina Nema reakcije terc-butilbenzen Nema benzilni hidrogen
[O] COOH O 2 (u višku) /V 2 O 3, 350 C Naftalen Ozonoliza COOH 1,2-Benzendikarboksilna kiselina (Ftalna kiselina) O3 O O + 3 O3 O3 3 H C C H + 3 H2O2 O3 Benzen Benzentriozonid Glioksal (Etandial)
CH3 CH2Br Br2 svjetlost + HBr Toluen Benzilbromid Toluen Benzil hlorid (Dihlormetil)benzen (Trihlormetil)benzen (Benzal hlorid) (Benzotrihlorid)
X o- o- Y > p- X je elektrondonor; prsten postaje bogat elektronima i veoma reaktivan > m- m- Y je elektronakceptor; prsten je osiromašen elektronima i 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 CH3 CH3 + Br 2 FeBr3 Br + Br toluen o-bromtoluen p-bromtoluen OCH3 + 3 Br 2 FeBr3 Br OCH3 Br metoksibenzen Br 2,4,6-tribrommetoksibenzen
Toluen o-nitrotoluen p-nitrotoluen Toluen o-toluensulfonska kiselina p-toluensulfonska kiselina
Anilin Nema katalizatora! Fenol
Br Br Br + Cl2 AlCl3 Cl + Cl Brombenzen o-bromhlorbenzen p-bromhlorbenzen
Brombenzen o-dibrombenzen p-dibrombenzen
NO2 NO2 + Br2 FeBr3 Br 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
O O + CH3CCl + CH3CCl AlCl3 AlCl3 O O CCH3 CCH3 HNO3 HNO3 H2SO4 H2SO4 O O CCH3 CCH3 O O CCH3 CCH3 O HNO3 HNO3 + CH3CCl H2SO4 H2SO4 AlCl3 NO2 NO2 O OO O AlCl3 + CH3CCl CCH3 CCH3 O CCH3 + CH3CCl AlCl3 HNO3 H2SO4 O NO2 NO2 CCH3 O m-nitroacetofenon O CCH3 NO2 HNO3 H2SO4 CCH3 HNO3 H2SO4 NO2 Iako oba supstituenta, NO NO2 2 i CH 3 C=O, diriguju istu, meta poziciju, zbog ograničenja Friedel-Craftsove reakcije, nitrobenzen se ne može acilirati! X O CCH O C
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 -NH 2, -NHR ili NR 2 grade kompleks sa katalizatorom kada je Nema reakcije
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 Ne nastaje o-nitrotoluen 2-Hlor-6-nitrotoluen 4-Hlor-2-nitrotoluen
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. 4-brom-2-nitrotoluen 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
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: Toluen Benzen p-bromtoluen 4-Brom-2-nitrotoluen Brombenzen
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. 4-hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina Tri supstituenta na prstenu su hlor, sulfonska grupa i propilna grupa. Hlor se može uvesti hloriranjem sa Cl 2 /FeCl 3. Sulfonska grupa može su uvesti sulfonovanjem sa SO 3 /H 2 SO 4
Propilna grupa može se uvesti Friedel-Craftsovim aciliranjem sa CH 3 CH 2 COCl/AlCl 3, koje prati redukcija sa H 2 /Pd. Direktno Friedel- Craftsovo alkiliranje sa CH 3 CH 2 CH 2 Cl/AlCl 3 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 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 4-hlor-2-propilbenzensulfonska kiselina? 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 AlCl 3. Benzen Propiofenon
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