Capitolo 16 Sostituzione elettrofila aromatica Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith University of Hawai’i Capitolo 16 Sostituzione elettrofila aromatica Prepared by Rabi Ann Musah State University of New York at Albany Copyright © The McGraw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display.

Sostituzione Elettrofila Aromatica La reazione caratteristica del benzene è la sostituzione elettrofila aromatica, in cui un atomo di idrogeno è sostituito da un elettrofilo.

Figure 16.1 Cinque esempi di sostituzione elettrofila aromatica

Sostituzione Elettrofila Aromatica Indipendentemente dall’elettrofilo usato, tutte le reazioni di sostituzione elettrofila aromatica avvengono con un meccanismo a due stadi: addizione dell’elettrofilo E+ per formare un carbocatione stabilizzato per risonanza, seguita da deprotonazione con una base, come mostrato di seguito:

Sostituzione Elettrofila Aromatica Il primo stadio nella sostituzione elettrofila aromatica forma un carbocatione, per il quale possono essere disegnate tre strutture di risonanza. Per aiutarsi nella collocazione della carica positiva:

Sostituzione Elettrofila Aromatica Le differenze di energia nella sostituzione elettrofila aromatica sono mostrate di seguito: Figure 16.2 Diagramma di energia per la sostituzione elettrofila aromatica: PhH + E+ → PhE + H+

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alogenazione Nell’alogenazione, il benzene reagisce con Cl2 o Br2 in presenza di un acido di Lewis come catalizzatore, come FeCl3 o FeBr3, e dà rispettivamente gli alogenuri arilici clorobenzene o bromobenzene. Reazioni analoghe con I2 e F2 non sono sinteticamente utili perchè I2 è troppo poco reattivo e F2 reagisce troppo violentemente.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alogenazione La clorurazione procede con un meccanismo simile.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Nitrazione e Solfonazione La nitrazione e la solfonazione introducono due gruppi funzionali differenti su un anello aromatico. La nitrazione è particolarmente utile perchè un nitrogruppo può poi essere ridotto a gruppo amminico NH2.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Nitrazione e Solfonazione La generazione dell’elettrofilo nella nitrazione richiede un acido forte.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Nitrazione e Solfonazione La generazione dell’elettrofilo nella solfonazione richiede un acido forte.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts Nell’alchilazione di Friedel-Crafts, il trattamento del benzene con un alogenuro alchilico e un acido di Lewis (AlCl3) forma un alchilbenzene.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts Nell’acilazione di Friedel-Crafts, un anello benzenico è trattato con un cloruro acilico (RCOCl) e AlCl3 per formare un chetone. Poichè il nuovo gruppo legato all’anello benzenico è chiamato gruppo acilico, il trasferimento del gruppo acilico da un atomo a un altro è chiamato acilazione.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts Nell’acilazione di Friedel-Crafts, l’acido di Lewis AlCl3 ionizza il legame carbonio-alogeno nel cloruro acilico, formando un elettrofilo costituito da un carbonio carico positivamente, chiamato ione acilio, stabilizzato per risonanza. Il carbonio carico positivamente nello ione acilio reagisce con il benzene nel meccanismo a due stadi della sostituzione elettrofila aromatica.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts [2] Altri gruppi funzionali possono essere usati come materiali di partenza che formano carbocationi.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Sostituiti Molti anelli benzenici sostituiti danno la sostituzione elettrofila aromatica. Questi sostituenti aumentano o diminuiscono la densità elettronica sull’anello benzenico, e modificano perciò il corso della sostituzione elettrofila aromatica.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Elettrofila Aromatica dei Benzeni Sostituiti Un sostituente influenza due aspetti della sostituzione elettrofila aromatica : La velocità di reazione: un benzene sostituito reagisce più velocemente o più lentamente del benzene stesso. L’orientazione: il nuovo gruppo è collocato in orto, meta, o para rispetto al sostituente preesistente. L’identità del sostituente preesistente determina la posizione del sostituente introdotto.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Sostituiti Gli effetti di risonanza sono osservati solo con sostituenti che hanno doppietti elettronici o legami . L’effetto di risonanza di donazione di elettroni si osserva quando un atomo Z, con un doppietto elettronico, è direttamente legato all’anello benzenico.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Sostituiti Si osserva un effetto di risonanza di attrazione di elettroni nei benzeni sostituiti di struttura generale C6H5-Y=Z, dove Z è più elettronegativo di Y. Si possono scrivere sette strutture di risonanza per la benzaldeide (C6H5CHO). Poichè in tre di queste la carica positiva è collocata su un atomo di carbonio dell’anello benzenico, il gruppo CHO attrae densità elettronica dall’anello benzenico per effetto di risonanza.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Elettrofila Aromatica dei Benzeni Sostituiti Considerando il toluene, questo reagisce più velocemente del benzene in tutte le reazioni di sostituzione. Il gruppo CH3, elettron-donatore, attiva l’anello benzenico per l’attacco elettrofilo. I prodotti orto e para sono i predominanti. Il gruppo CH3 è quindi chiamato orto, para orientante.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Elettrofila Aromatica dei Benzeni Sostituiti Considerando il nitrobenzene, questo reagisce più lentamente del benzene in tutte le reazioni di sostituzione. Il gruppo NO2, attrattore di elettroni, disattiva l’anello benzenico all’attacco elettrofilo. Il prodotto meta è predominante. Il gruppo NO2 è chiamato meta orientante.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Elettrofila Aromatica dei Benzeni Sostituiti Tutti i sostituenti possono essere suddivisi in tre tipi generali:

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Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Elettrofila Aromatica dei Benzeni Sostituiti Ricordare che gli alogeni sono in una classe a parte. Inoltre ricordare che:

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Sostituzione Elettrofila Aromatica Effetti di Orientazione nei Benzeni Sostituiti Ci sono due tipi generali di gruppi che orientano in orto, para, e uno di quelli che orientano in meta. Tutti i gruppi che orientano in orto, para sono gruppi R o hanno un doppietto elettronico legato all’anello benzenico. Tutti i gruppi che orientano in meta hanno una carica positiva parziale o piena sull’atomo legato all’anello benzenico.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Effetti di Orientazione nei Benzeni Sostituiti Per valutare l’effetto orientante di un certo sostituente, si può usare la seguente procedura a stadi:

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Disostituiti Quando gli effetti orientanti di due gruppi vanno nella stessa direzione, il sostituente che entra è collocato nella posizione verso la quale orientano i due gruppi.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Disostituiti 2. Se l’effetto orientante dei due gruppi non va nella stessa direzione, il gruppo attivante più forte “vince”.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Disostituiti 3. Tra due sostituenti in meta non avviene nessuna sostituzione, a causa dell’ingombro.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sintesi di Derivati del Benzene In un benzene disostituito, l’effetto orientante indica quale sostituente deve essere introdotto per primo sull’anello. Per esempio nel p-bromonitrobenzene consideriamo il risultato ottenuto effettuando prima la bromurazione seguita dalla nitrazione, oppure il risultato che si ottiene effettuando prima la nitrazione seguita dalla bromurazione.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sintesi di Derivati del Benzene La via [1], in cui la bromurazione precede la nitrazione, dà il prodotto desiderato. La via [2] dà invece il prodotto meta, non voluto.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Ossidazione e Riduzione di Benzeni Sostituiti Areni che contengono almeno un legame C—H benzilico sono ossidati con KMnO4 ad acido benzoico. Substrati con due gruppi alchilici sono ossidati ad acidi bicarbossilici. Composti privi di idrogeni benzilici sono inerti all’ossidazione.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Ossidazione e Riduzione di Benzeni Sostituiti I chetoni formati nell’acilazione di Friedel-Crafts possono essere ridotti ad alchilbenzeni con due metodi differenti: La Clemmensen, che usa zinco e mercurio in presenza di un acido forte. La riduzione di Wolff-Kishner, che usa idrazina (NH2NH2) e una base forte (KOH).

Sostituzione Elettrofila Aromatica Ossidazione e Riduzione di Benzeni Sostituiti Conosciamo quindi due modi differenti per introdurre un gruppo alchilico sull’anello benzenico: Un metodo a uno stadio, che usa l’alchilazione di Friedel-Crafts. Un metodo a due stadi, che usa l’acilazione di Friedel-Crafts formando un chetone, seguita da una riduzione. Figura 16.3 Due metodi per preparare un alchilbenzene

Sostituzione Elettrofila Aromatica Ossidazione e Riduzione di Benzeni Sostituiti Sebbene il metodo a due stadi sembri più complicato, deve essere usato per sintetizzare certi alchilbenzeni, che non possono essere preparati dall’unico stadio dell’alchilazione di Friedel-Crafts, a causa di riarrangiamenti del gruppo alchilante.

Sostituzione Elettrofila Aromatica Ossidazione e Riduzione di Benzeni Sostituiti Un nitrogruppo (NO2), che è facilmente introdotto sull’anello benzenico per nitrazione in acido forte, può essere facilmente ridotto a gruppo amminico (NH2) in svariate condizioni.