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