Reazioni degli Areni:
Sostituzione Elettrofila Aromatica
H E
Reazioni di Sostituzione Elettrofila Aromatica Rappresentative del Benzene
H E
H E
+
d
E +d
Y – + H YLe sostituzioni elettrofile aromatiche includono: Nitrazione
Solfonazione
Alogenazione
Alchilazione di Friedel-Crafts
H
Nitrazione del Benzene
+ + H2O H2SO4 HONO2 NO2 Nitrobenzene (95%)
H
Solfonazione del Benzene
+ + H2O calore HOSO2OH SO2OH Acido benzensolfonico (100%)
H
Alogenazione del Benzene
+ + HBr FeBr3 Br2 Br2 Bromobenzene (65-75%)
H Alchilazione di Friedel-Crafts + + HCl AlCl3 C(CH3)3 tert-Butilbenzene (60%) (CH3)3CCl
H Acilazione di Friedel-Crafts + + HCl AlCl3 1-fenil-1-propanone (88%) O CH3CH2CCl CCH2CH3 O
Meccanismo delle
1: attacco dell’elettrofilo
sul sistema elettronico p dell’anello aromatico
H H H H H H E+ H H H H H H E + fortemente endotermico
2: perdita di un protone dal carbocatione intermedio H H H E H H H+ H H H H H H E + fortemente esotermico
questo stadio ristabilisce l’aromaticità dell’anello
H H H H H + E+ H E H H H H + H+ H H H H H H H E +
Basandosi su questo meccanismo generale :
ciò che resta da identificare è l’elettrofilo nella nitrazione, solfonazione, alogenazione,
alchilazione di Friedel-Crafts, e acilazione di Friedel-Crafts per stabilire il meccanismo
H
Nitrazione del Benzene
+ + H2O H2SO4 HONO2 NO2 L’elettrofilo è lo ione nitronio O •• N O + •• • • • •
1: attacco del catione nitronio sul sistema elettronico p dell’anello aromatico
H H H H H H NO2+ H H H H H H NO2 +
2: perdita di un protone dal carbocatione intermedio H H H NO2 H H H+ H H H H H H NO2 +
Come viene fuori lo ione nitronio? H2SO4 O N H O O + •• •• •• • • • • •• • • – O N H O O + •• •• •• • • •• • • – H + O N O •• + •• • • • • + H O •• H ••
H
Solfonazione del Benzene
+
+ H2O calore
HOSO2OH
SO2OH
Sono presenti vari elettrofili :
Il più importante è l’anidride solforica O S O O + •• •• •• • • • • •• • • –
1: attacco dell’anidride solforica sul
sistema elettronico p dell’anello aromatico
H H H H H H SO3 H H H H H H SO3– +
2: perdita di un protone dal carbocatione intermedio H H H SO3– H H H+ H H H H H H SO3– +
3: protonazione dello ione benzensolfonato H H H SO3– H H H2SO4 H H H SO3H H H
H
Alogenazione del Benzene
+ + HBr FeBr3 Br2 Br2 L’elettrofilo è un complesso acido di Lewis/base di Lewis tra FeBr3 e Br2.
Il Complesso Br2-FeBr3 + • • Br Br • • •• •• •• ••
Base di Lewis Acido di Lewis
FeBr3 • • Br •• Br ••
•• •• FeBr3
– +
Complesso
1: attacco del complesso Br2-FeBr3
sul sistema elettronico p dell’anello aromatico
H H H H H H H H H H H H Br + Br Br + FeBr– 3 + FeBr4–
2: perdita di un protone dal carbocatione intermedio H H H Br H H H+ H H H H H H Br +
H
Alchilazione di Friedel-Crafts del Benzene
+ + HCl AlCl3 C(CH3)3 L’elettrofilo è il catione tert-butile (CH3)3CCl C CH3 H3C H3C +
Agisce come acido di Lewis promuovendo la ionizzazione dell’alogenuro alchilico
Ruolo dell’AlCl3 (CH3)3C Cl •• • • •• + AlCl3 + (CH3)3C Cl •• •• AlCl3 –
Agisce come acido di Lewis promuovendo la ionizzazione dell’alogenuro alchilico
Ruolo dell’AlCl3 (CH3)3C Cl •• • • •• + AlCl3 + (CH3)3C Cl •• •• AlCl3 – + (CH3)3C Cl •• •• AlCl3 – • • +
1: attacco del catione tert-butile sul
sistema elettronico p dell’anello aromatico
H H H H H H H H H H H H C(CH3)3 + C(CH3)3 +
2: perdita di un protone dal carbocatione intermedio H H H C(CH3)3 H H H+ H H H H H H C(CH3)3 +
H
Riarrangementi nelle Alchilazioni di Friedel-Crafts
I carbocationi sono degli intermedi, per cui possono dare riarrangiamento
(CH3)2CHCH2Cl AlCl3
Cloruro di isobutile tert-Butilbenzene
(66%)
C(CH3)3
+
H
Riarrangementi nelle Alchilazioni di Friedel-Crafts Il cloruro di isobutile è l’alogenuro alchilico
ma il catione tert-butile è l’elettrofilo
(CH3)2CHCH2Cl AlCl3
Cloruro di isobutile tert-Butilbenzene
(66%)
C(CH3)3
+
Riarrangementi nelle Alchilazioni di Friedel-Crafts C CH2 H3C CH3 H Cl •• •• AlCl3 + – C CH2 H3C CH3 H + + Cl •• •• AlCl3 – • •
H
Reazioni correlate alle Alchilazioni di Friedel-Crafts
H2SO4 +
Cicloesilbenzene (65-68%)
Il cicloesene è protonato dall’acido solforico, dando il catione cicloesilico che attacca
H
Acilazione di Friedel-Crafts del Benzene
+ + HCl AlCl3 O CH3CH2CCl CCH2CH3 O
L’elettrofilo è un catione acile
••
CH3CH2C O • • +
1: attacco del catione acile sul sostema elettronico p dell’anello aromatico
H H H H H H H H H H H H + O CCH2CH3 + O CCH2CH3
2: perdita di un protone dal carbocatione intermedio H H H H H H+ H H H H H H + O CCH2CH3 O CCH2CH3
Possono essere usate al posto dei cloruri acilici
H
Anidridi degli Acidi
Acetofenone (76-83%) AlCl3 O CCH3 O CH3COCCH3 O + O CH3COH +
La riduzione del gruppo carbonilico di un’aldeide o chetone con Zn(Hg) e HCl è chiamata riduzione di Clemmensen.
Acilazione-Riduzione H O CR Zn(Hg), HCl AlCl3 RCCl O CH2R Consente ai gruppi alchilici primari a più di 2
La riduzione del gruppo carbonilico di una aldeide o chetone in presenza di H2NNH2
KOH e calore è chiamata
Riduzione di Wolff-Kishner. Acilazione-Riduzione H O CR H2NNH2, KOH, glicole trietilenico, calore AlCl3 RCCl O CH2R Consente ai gruppi alchilici primari di essere
Esempio: Preparare l’isobutilbenzene
No! l’alchilazione di Friedel-Crafts del
benzene con il cloruro di isobutile fallisce a causa del riarrangiamento.
(CH3)2CHCH2Cl AlCl3
Richiamo
(CH3)2CHCH2Cl AlCl3
Cloruro di isobutile tert-Butilbenzene
(66%)
C(CH3)3
+
Usare invece l’Acilazione-Riduzione
+
(CH3)2CHCCl O AlCl3 O CCH(CH3)2 Zn(Hg) HCl CH2CH(CH3)3Limiti dell’Alchilazione di Friedel Kraft
• Non si possono legare all’anello frammenti lineari a più di due atomi di carbonio (per effetto delle
trasposizioni)
• Non si può effettuare la reazione di alchilazione sul nitrobenzene e sull’anilina
Velocità e Regioselettività delle Sostituzioni Elettrofile Aromatiche
Un sostituente già presente sull’anello può
influenzare sia la velocità che la regioselettivita
I sostituenti attivanti aumentano la velocità
di una SEA rispetto al benzene.
I sostituenti disattivanti diminuiscono la velocità di una SEA rispetto al benzene.
Il toluene dà la nitrazione
20-25 volte più velocemente del benzene.
Un gruppo metilico è un sostituente attivante.
Il Gruppo Metilico
Il Trifluorometilbenzene
dà la nitrazione 40,000 volte
più lentamente che il benzene . Il gruppo trifluorometilico è un sostituente disattivante.
Il GruppoTrifluorometilico
Gli orto-para orientanti dirigono
l’elettrofilo entrante in posizione orto e/o para rispetto a se stessi.
I meta orientanti dirigono
elettrofilo entrante in positione meta rispetto a se stessi.
Nitrazione del Toluene CH3 HNO3 anidride acetica CH3 NO2 CH3 NO2 CH3 NO2 + + 34% 3% 63%
l’o- e il p-nitrotoluene insieme sono il 97% del prodotto
Nitrazione del Trifluorometilbenzene CF3 CF3 NO2 CF3 NO2 CF3 NO2 + + 3% 91% 6% il m-nitro(trifluoromethyl)benzene è il 91% del prodotto
il gruppo trifluorometilico un meta orientante HNO3
Velocità e Regioselettività nella
La Stabilità del Carbocatione controlla la Regioselettività + H H H CH3 H H NO2 + H H H H H NO2 CH3 + H H H H H NO2 CH3
La Stabilità del Carbocatione controlla la Regioselettività + H H H CH3 H H NO2 + H H H H H NO2 CH3 + H H H H H NO2 CH3
da ortho da para da meta
Nitrazione orto del Toluene + H H H CH3 H H NO2
Nitrazione orto del Toluene + H H H CH3 H H NO2 H H H CH3 H H NO2 +
Nitrazione orto del Toluene + H H H CH3 H H NO2 H H H CH3 H H NO2 H H H CH3 H H NO2 + + questa struttura di risonanza è un carbocatione terziario
Nitrazione orto del Toluene + H H H CH3 H H NO2
l’intermedio che controlla la velocità nella nitrazione orto del toluene ha carattere di carbocatione terziario H H H CH3 H H NO2 H H H CH3 H H NO2 + +
Nitrazione para del Toluene + H H H H H NO2 CH3
Nitrazione para del Toluene + H H H H H NO2 CH3 H H H H H NO2 CH3 + questa struttura di risonanza è un carbocatione terziario
Nitrazione para del Toluene + H H H H H NO2 CH3 H H H H H NO2 CH3 H H H H H NO2 CH3 + + questa struttura di risonanza è un carbocatione terziario
Nitrazione para del Toluene + H H H H H NO2 CH3 H H H H H NO2 CH3 H H H H H NO2 CH3 + +
l’intermedio che controlla la velocità nella nitrazione para del toluene ha carattere di carbocatione terziario
Nitrazione meta del Toluene + H H H H H NO2 CH3
Nitrazione meta del Toluene + H H H H H NO2 CH3 H H H H H NO2 CH3 +
Nitrazione meta del Toluene + H H H H H NO2 CH3 H H H H H NO2 CH3 H H H H H NO2 CH3 + +
tutte le strutture di risonanza dell’intermedio che controlla la velocità nella nitrazione meta del toluene hanno la carica positiva su un
Nitrazione del Toluene: Interpretazione
• Gli intermedi che controllano la velocità per la nitrazione orto e para hanno una struttura di risonanza che è un carbocatione terziario. Invece nella nitrazione meta sono tutti carbocationi secondari.
• I carbocationi terziari, essendo più stabili, si formano più velocemente dei secondari. Quindi gli intermedi
nell’attacco in orto e para si formano più velocemente di quello nell’attacco in meta. Ciò spiega perchè i prodotti maggioritari sono l’o- e il p-nitrotoluene.
Nitrazione del Toluene: Fattori Parziali di velocità
• Le velocità di reazione calcolate sperimentalmente possono essere combinate con la distribuzione
orto/meta/para per dare i fattori parziali di velocità
per le sostituzioni alle varie posizioni dell’anello. • Espresso in valore numerico, un fattore parziale di
velocità dice di quanto la velocità di una sostituzione ad una particolare posizione è più alta (o bassa)di quella ad una singola posizione del benzene.
Nitrazione del Toluene: Fattori Parziali di Velocità CH3 42 2.5 58 42 2.5 1 1 1 1 1 1
Tutte le posizioni disponibili sull’anello del toluene sono più reattive della singola posizione del benzene.
Un gruppo metilico attiva tutte le posizioni dell’anello ma l’effetto è maggiore alle posizioni orto e para.
L’ingombro sterico del gruppo metilico rende le posizioni orto un pò meno reattive della para.
Nitrazione del Toluene e del tert-Butilbenzene CH3 42 2.5 58 42 2.5
Il tert-butile è un gruppo attivante ortho-para orientante Il tert-butile ingombra la posizione orto diminuendo la
velocità di attacco a quelle posizioni.
CH3 75 3 4.5 3 4.5 C CH3 H3C
Tutti i gruppi alchilici sono attivanti e orto-para orientanti
Velocità e Regioselettività nella
Un Punto Chiave
C +
H3C F3C C +
Il gruppo metilico è elettron-donatore e stabilizza un carbocatione.
A causa della elettronegatività di F, il gruppo CF3 destabilizza un carbocatione.
La Stabilità del Carbocatione Controlla la Regioselettività + H H H CF3 H H NO2 + H H H H H NO2 CF3 + H H H H H NO2 CF3
La Stabilità del Carbocatione Controlla la Regioselettività + H H H CF3 H H NO2 + H H H H H NO2 CF3 + H H H H H NO2 CF3
da orto da para da meta
Nitrazione orto del Trifluorometilbenzene + H H H CF3 H H NO2
+ H H H CF3 H H NO2 H H H CF3 H H NO2 +
+ H H H CF3 H H NO2 H H H CF3 H H NO2 H H H CF3 H H NO2 + + questa struttura di risonanza è destabilizzata Nitrazione orto del Trifluorometilbenzene
+ H H H CF3 H H NO2
una delle strutture di risonanza dell’intermedio che controlla la velocità nella nitrazione in orto del trifluorometilbenzene è fortemente
destabilizzata H H H CF3 H H NO2 H H H CF3 H H NO2 + +
+ H H H H H NO2 CF3
+ H H H H H NO2 CF3 H H H H H NO2 CF3 + questa struttura di risonanza è destabilizzata
+ H H H H H NO2 CF3 H H H H H NO2 CF3 H H H H H NO2 CF3 + + questa struttura di risonanza è destabilizzata
+ H H H H H NO2 CF3 H H H H H NO2 CF3 H H H H H NO2 CF3 + +
una delle strutture di risonanza dell’intermedio che controlla la velocità nella nitrazione in
para del trifluorometilbenzene è fortemente destabilizzata
+ H H H H H NO2 CF3
+ H H H H H NO2 CF3 H H H H H NO2 CF3 +
+ H H H H H NO2 CF3 H H H H H NO2 CF3 H H H H H NO2 CF3 + +
nessuna delle strutture di risonanza dell’intermedio che controlla la velocità nella nitrazione meta del trifluorometilbenzene ha la sua carica positiva sul carbonio che porta il gruppo CF3
Nitrazione del Trifluorometilbenzene: Interpretazione
Gli intermedi che controllano la velocità nella nitrazione orto e para hanno una struttura di risonanza in cui la carica positiva è sul carbonio che porta il gruppo CF3. Questa struttura di risonanza è fortemente
destabilizzata. L’intermedio nella nitrazione in meta non ha questa struttura. E’ il meno instabile tra i tre intermedi ed è quello da cui la maggior parte del
Nitrazione del Trifluorometilbenzene: Fattori Parziali di Velocità
Tutte le posizioni disponibili nel trifluorometilbenzene sono molto meno reattive della singola posizione del benzene.
Il gruppo CF3 disattiva tutte le posizioni dell’anello ma il grado di disattivazione è maggiore nelle posizioni orto e para. CF3 4.5 x 10-6 4.5 x 10-6 67 x 10-6 67 x 10-6 4.5 x 10-6
