Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith University

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 Mc. Graw-Hill Companies, Inc. Permission required for reproduction or display. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 1 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica • La reazione caratteristica del benzene è la sostituzione elettrofila aromatica, in cui un atomo di idrogeno è sostituito da un elettrofilo. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 2 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Figure 16. 1 Cinque esempi di sostituzione elettrofila aromatica Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 3 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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: Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 4 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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: Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 5 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica • Le differenze di energia nella sostituzione elettrofila aromatica Figure 16. 2 sono mostrate di seguito: Diagramma di energia per la sostituzione elettrofila aromatica: Ph. H + E+ → Ph. E + H+ Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 6 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alogenazione • Nell’alogenazione, il benzene reagisce con Cl 2 o Br 2 in presenza di un acido di Lewis come catalizzatore, come Fe. Cl 3 o Fe. Br 3, e dà rispettivamente gli alogenuri arilici clorobenzene o bromobenzene. • Reazioni analoghe con I 2 e F 2 non sono sinteticamente utili perchè I 2 è troppo poco reattivo e F 2 reagisce troppo violentemente. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 7 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alogenazione • La clorurazione procede con un meccanismo simile. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 8 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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 NH 2. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 9 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Nitrazione e Solfonazione • La generazione dell’elettrofilo nella nitrazione richiede un acido forte. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 10 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Nitrazione e Solfonazione • La generazione dell’elettrofilo nella solfonazione richiede un acido forte. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 11 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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 (Al. Cl 3) forma un alchilbenzene. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 12 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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 Al. Cl 3 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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 13 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 14 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 15 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts • Nell’acilazione di Friedel-Crafts, l’acido di Lewis Al. Cl 3 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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 16 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Alchilazione e Acilazione di Friedel-Crafts [2] Altri gruppi funzionali possono essere usati come materiali di partenza che formano carbocationi. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 17 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 18 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica dei Benzeni Sostituiti • Un sostituente influenza due aspetti della sostituzione elettrofila aromatica : 1. La velocità di reazione: un benzene sostituito reagisce più velocemente o più lentamente del benzene stesso. 2. 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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 19 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 20 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Sostituiti • Si osserva un effetto di risonanza di attrazione di elettroni nei benzeni sostituiti di struttura generale C 6 H 5 -Y=Z, dove Z è più elettronegativo di Y. • Si possono scrivere sette strutture di risonanza per la benzaldeide (C 6 H 5 CHO). 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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 21 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Sostituiti Elettrofila Aromatica dei Benzeni • Considerando il toluene, questo reagisce più velocemente del benzene in tutte le reazioni di sostituzione. • Il gruppo CH 3, elettron-donatore, benzenico per l’attacco elettrofilo. attiva l’anello • I prodotti orto e para sono i predominanti. • Il gruppo CH 3 è quindi chiamato orto, para orientante. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 22 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Sostituiti Elettrofila Aromatica dei Benzeni • Considerando il nitrobenzene, questo reagisce più lentamente del benzene in tutte le reazioni di sostituzione. • Il gruppo NO 2, attrattore di elettroni, disattiva l’anello benzenico all’attacco elettrofilo. • Il prodotto meta è predominante. • Il gruppo NO 2 è chiamato meta orientante. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 23 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Sostituiti Elettrofila Aromatica dei Benzeni Tutti i sostituenti possono essere suddivisi in tre tipi generali: Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 24 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Sostituiti Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith Elettrofila Aromatica dei Benzeni 25 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Sostituiti Elettrofila Aromatica dei Benzeni • Ricordare che gli alogeni sono in una classe a parte. • Inoltre ricordare che: Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 26 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Sostituzione Sostituiti Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith Elettrofila Aromatica dei Benzeni 27 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 28 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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: Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 29 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Disostituiti 1. 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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 30 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Disostituiti 2. stessa direzione, il gruppo attivante più forte “vince”. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 31 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Benzeni Disostituiti 3. sostituzione, a causa dell’ingombro. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 32 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 33 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 34 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Ossidazione e Riduzione di Benzeni Sostituiti Areni che contengono almeno un legame C—H benzilico sono ossidati con KMn. O 4 ad acido benzoico. Substrati con due gruppi alchilici sono ossidati ad acidi bicarbossilici. Composti privi di idrogeni benzilici sono inerti all’ossidazione. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 35 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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: 1. La Clemmensen, che usa zinco e mercurio in presenza di un acido forte. 2. La riduzione di Wolff-Kishner, che usa idrazina (NH 2) e una base forte (KOH). Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 36 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Ossidazione e Riduzione di Benzeni Sostituiti Conosciamo quindi due modi differenti per introdurre un gruppo alchilico sull’anello benzenico: 1. Un metodo a uno stadio, che usa l’alchilazione di Friedel. Crafts. 2. 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 Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 37 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

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. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 38 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl

Sostituzione Elettrofila Aromatica Ossidazione e Riduzione di Benzeni Sostituiti Un nitrogruppo (NO 2), che è facilmente introdotto sull’anello benzenico per nitrazione in acido forte, può essere facilmente ridotto a gruppo amminico (NH 2) in svariate condizioni. Fondamenti di chimica organica Janice Gorzynski Smith 39 Copyright © 2009 – The Mc. Graw-Hill Companies srl