Chimica organica per il liceo/Reazioni del benzene

Chimica del benzene - Sostituzione elettrofila aromatica

Una volta completato il capitolo 16, dovresti essere in grado di

soddisfare tutti gli obiettivi dettagliati elencati in ciascuna sezione.
risolvere problemi di roadmap che richiedono la comprensione della chimica trattata in questo capitolo e in quelli precedenti.
progettare sintesi in più stadi utilizzando le reazioni discusse in questo e nei capitoli precedenti. In particolare, dovreste essere pronti a mostrare come si potrebbe sintetizzare un composto aromatico contenente due o più sostituenti, facendo attenzione a introdurre i sostituenti nell'anello nell'ordine corretto.
definire e utilizzare nel contesto i termini chiave introdotti.

Nel capitolo precedente, abbiamo studiato il concetto di aromaticità e dedicato molto tempo agli aspetti teorici della chimica dei composti aromatici. In questo capitolo, inizieremo a studiare le reazioni chimiche dei composti aromatici, concentrandoci in particolare sulla sostituzione elettrofila aromatica e, in misura minore, sulla sostituzione nucleofila aromatica. Discuteremo, in dettaglio, il meccanismo della sostituzione elettrofila, prestando particolare attenzione ai fattori che determinano sia la velocità che la posizione della sostituzione in quei composti aromatici che presentano già uno o più sostituenti presenti nell'anello aromatico. Quando discuteremo della sostituzione nucleofila aromatica, vedrete che può essere ottenuta attraverso due meccanismi diversi, uno dei quali prevede la formazione di un intermedio dall'aspetto insolito, il benzene.

Vedremo anche come gruppi alchilici e acilici possono essere introdotti su un anello aromatico; come, una volta introdotti, i gruppi alchilici possono essere convertiti in gruppi carbossilici; e come il bromo può essere introdotto nella catena laterale alchilica dell'alchilbenzene. Quest'ultima reazione è particolarmente utile perché il bromuro benzilico così prodotto subisce le stesse reazioni di un tipico bromuro alchilico, fornendoci così una via sintetica per un'ampia varietà di composti.

Introduzione

Capire che la sostituzione elettrofila aromatica è la reazione più importante dei composti aromatici, in particolare del benzene.

Termini chiave:

acilazione
alchilazione
sostituzione elettrofila
alogazione
idrossilazione
nitrazione
solfonazione

Contenuto

Il benzene è molto stabile grazie ai sei elettroni π delocalizzati, che seguono la regola di Hückel. Per questo motivo non subisce reazioni di addizione, ma preferisce mantenere l’anello aromatico tramite reazioni di sostituzione elettrofila aromatica (EAS).

Le sei principali reazioni di sostituzione elettrofila del benzene sono:

Tipo di reazione	Reagenti principali	Catalizzatore	Elettrofilo attivo	Prodotto
Alogenazione	Cl₂ o Br₂	FeCl₃ o FeBr₃	Cl⁺ o Br⁺	Alo-benzene (es. C₆H₅Cl)
Nitrazione	HNO₃	H₂SO₄	NO₂⁺	Nitrobenzene (C₆H₅NO₂)
Solfonazione	H₂SO₄ + SO₃	—	SO₃H⁺	Acido benzensolfonico
Alchilazione	R–Cl	AlCl₃	R⁺	Arene (C₆H₅–R)
Acilazione	RCOCl	AlCl₃	RCO⁺	Chetoni arilici (C₆H₅COR)
Idrossilazione	Reazione meno comune	—	—	Fenolo (C₆H₅OH)

Nota

È utile riconoscere le somiglianze tra queste reazioni, poiché tutte seguono meccanismi simili e permettono di conservare l'aromaticità del benzene.

Reazioni di sostituzione aromatica elettrofila - Bromurazione

Obiettivi

Dopo lo studio di questa sezione, dovresti essere in grado di:

descrivere il meccanismo della reazione tra bromo e benzene con un catalizzatore;
disegnare i contributori di risonanza del carbocatione intermedio;
confrontare la reazione tra bromo e benzene con quella tra bromo e un alchene;
rappresentare un diagramma energetico per la bromurazione del benzene;
identificare i reagenti necessari per la bromurazione aromatica;
scrivere l’equazione della bromurazione.

Contenuto

La bromurazione del benzene è un esempio di sostituzione elettrofila aromatica, un processo in cui un elettrofilo attacca il benzene, sostituendo un atomo di idrogeno. Tuttavia, gli alogeni da soli non sono elettrofili abbastanza forti da rompere l’aromaticità del benzene; perciò serve un catalizzatore, come FeBr₃, per attivare il Br₂.

Fasi del meccanismo:

Fase preliminare: Formazione dell’elettrofilo attivo

Il FeBr₃ si lega al Br₂, polarizzando la molecola e generando un catione bromo (Br⁺) fortemente elettrofilo, capace di attaccare il benzene.

Fase 1: Attacco dell’elettrofilo

Il benzene reagisce con Br⁺, formando un legame sigma con un atomo di carbonio dell’anello.
Si forma un intermedio carbocationico detto ione benzenonio o ione arenio, stabilizzato per risonanza ma non aromatico → alta energia di attivazione.

Fase 2: Perdita del protone

Una base (es. Br⁻ o il complesso con FeBr₃) rimuove un protone dall'atomo di carbonio sp³.
Gli elettroni ritornano nell’anello, ristabilendo l’aromaticità e formando bromobenzene. → Questo passaggio è rapido e a bassa energia di attivazione.

Confronto con altre reazioni carbocationiche

Il meccanismo della sostituzione elettrofila aromatica è simile a quello delle reazioni Sₙ1, E1 e delle addizioni acide agli alcheni. Tuttavia, l’intermedio arenio è stabilizzato dalla risonanza e non subisce riarrangiamenti.

Vie possibili per un carbocatione intermedio:

Addizione di un nucleofilo (es. Sₙ1);
Perdita di un protone → doppio legame (es. E1);
Riarrangiamento in un carbocatione più stabile.

Nel caso della sostituzione elettrofila aromatica, prevale la modalità 2: perdita di un protone, perché l’obiettivo è ristabilire l’aromaticità.

Esercizi suggeriti:

Identificare i reagenti per ottenere clorobenzene da benzene.
Prevedere il prodotto della reazione tra benzene e I₂.
Determinare il prodotto tra benzene, Br₂ e FeBr₃.
Disegnare la formazione di Cl⁺ da AlCl₃ e Cl₂.
Mostrare il meccanismo tra Cl⁺ e benzene.

Altre sostituzioni aromatiche

Obiettivi principali

Alla fine dello studio dovresti saper:

Scrivere equazioni bilanciate per le reazioni di alogenazione, nitrazione, solfonazione e riduzione di un nitrocomposto aromatico.
Descrivere i meccanismi dettagliati di nitrazione e solfonazione.
Riconoscere la reversibilità della solfonazione e le sue applicazioni industriali.
Disegnare i contributori di risonanza del carbocatione intermedio.
Conoscere l'uso industriale degli acidi solfonici aromatici e dei derivati nitro.

Alogenazione del benzene

Tipo di reazione: sostituzione elettrofila aromatica (SEAr).
Cl e Br reagiscono con benzene solo in presenza di catalizzatori acidi di Lewis (AlCl₃, FeCl₃, AlBr₃...).
Meccanismo:
- Il catalizzatore attiva l'alogeno polarizzando il legame (es. Br-Br).
- Il benzene attacca l’alogeno attivato → formazione di carbocatione aromatico intermedio (con risonanza).
- Il catalizzatore recupera un protone, rigenerando l’aromaticità.
Fluoro: troppo reattivo → si usa F-TEDA-BF₄.
Iodio: troppo poco reattivo → si usa CuCl₂ per attivare I₂.

Nitrazione del benzene

Elettrofilo: ione nitronio \ceNO2+, generato da \ceHNO3+H2SO4.
Meccanismo:
- Acido solforico protona l’acido nitrico → perdita di acqua → formazione di \ceNO2+.
- Benzene attacca \ceNO2+, formando un intermedio carbocationico (mostrato con 3 forme di risonanza).
- L’intermedio perde un protone → si riforma il benzene.
Prodotto: nitrobenzene, usato per ottenere aniline tramite riduzione.

Solfonazione del benzene

Reazione reversibile.
Elettrofilo: anidride solforica (\ceSO3) attivata da acido solforico fumante (oleum).
Meccanismo:
- Il benzene attacca lo zolfo elettrofilo della \ceSO3 → intermedio carbocationico.
- Successiva deprotonazione → acido benzensolfonico.
Desolfonazione: con calore e acqua in presenza di \ceH2SO4, si rigenera il benzene.

Applicazioni industriali

Nitrazione: il gruppo nitro può essere ridotto ad ammina (es. anilina) o usato come gruppo orientante.
Solfonazione: il gruppo solfonico è utile come gruppo bloccante reversibile; inoltre è usato per sintetizzare detersivi, coloranti e farmaci (sulfamidici).

Note importanti

Il gruppo nitro è un disattivante dell'anello aromatico.
Il gruppo solfonico può essere rimosso facilmente, rendendolo utile in sintesi multi-step.
L'energia della reazione di alogenazione decresce lungo il gruppo degli alogeni (F > Cl > Br > I).

Esercizi suggeriti

Scrivere reagenti e prodotti di nitrazione e solfonazione.
Spiegare l'importanza dell'acido solforico nella nitrazione.
Disegnare il meccanismo completo della solfonazione.
Contare i possibili isomeri nella bromurazione degli isomeri dello xilene.
Spiegare la sostituzione totale degli H del toluene con D trattandolo con \ceD2SO4.

Alchilazione e acilazione degli anelli aromatici - La reazione di Friedel-Crafts

Reazione di Friedel-Crafts – Acilazione

Obiettivo:

Obiettivo: Sostituire un H su un anello aromatico con un gruppo alchilico (R−).

Reagenti:

Alogenuri alchilici (es. R–Cl)
Catalizzatore acido di Lewis (es. AlCl₃)

Meccanismo:

Formazione del carbocatione: R–Cl + AlCl₃ → R⁺ + AlCl₄⁻

chimica organica

Attacco dell'anello aromatico sul R⁺ (carbocatione).

Perdita di un protone (H⁺) → ripristino dell'aromaticità.

chimica organica

Limitazioni:

Polialchilazione: il primo gruppo alchilico attiva l’anello, favorendo ulteriori reazioni.

chimica organica

Riarrangiamenti del carbocatione: gruppi più stabili possono migrare.

Substrati disattivati (es. nitrobenzene, anilina) non reagiscono.

Alogenuri vinilici e arilici non reagiscono (non formano carbocationi stabili).

Sostituire un H su un anello aromatico con un gruppo acile (R–CO–).

Reagenti:

Cloruri acilici (es. R–CO–Cl)
Catalizzatore acido di Lewis (es. AlCl₃)

Meccanismo:

chimica organica

Formazione dello ione acilio: R–CO–Cl + AlCl₃ → R–C⁺≡O + AlCl₄⁻
Attacco dell'anello aromatico sullo ione acilio.
Perdita di H⁺ → ripristino aromaticità.
Idrolisi finale per liberare il chetone e rigenerare AlCl₃.

Vantaggi rispetto all’alchilazione:

Niente riarrangiamenti (lo ione acilio è stabile per risonanza).
Niente poliacilazione (il gruppo acile è disattivante).

Concetti chiave da ricordare:

Carbocationi: instabili → possibili riarrangiamenti.
Gruppi attivanti (es. –CH₃, –OH): facilitano la SEAr.
Gruppi disattivanti (es. –NO₂, –NH₂): inibiscono la SEAr.
Acili vs Alchili: gli acili disattivano l’anello, evitando reazioni multiple.

Domanda: Quale dei seguenti alogenuri alchilici NON subisce riarrangiamento?

A) Clorometano
B) 2-Cloropentano
C) 1-Cloropropano
D) 1-Cloro-2,2-dimetilpropano
E) Clorociclopentano

Risposta corretta: A) Clorometano

(Metano → carbocatione primario → non può riarrangiarsi, anche se è instabile.)

Effetti sostituenti negli anelli aromatici sostituiti

Obiettivi principali

Dopo aver studiato questa sezione, dovresti saper:

Descrivere come un sostituente influenza la reattività e la posizione della sostituzione in un composto aromatico.
Classificare i sostituenti come attivanti o disattivanti.
Ordinare i sostituenti secondo la loro capacità di attivare o disattivare l'anello.
Spiegare gli effetti induttivi e di risonanza.
Prevedere la reattività relativa di composti aromatici in reazioni di sostituzione elettrofila.

Due tipi di effetto dei sostituenti

Effetto induttivo:
- Dipende dalla elettronegatività del sostituente.
- Porta ritiro elettronico attraverso i legami sigma.
- Es: −NO₂, −CN, −COOH sono disattivanti per effetto induttivo.
Effetto di risonanza (coniugazione π):
- Coinvolge coppie elettroniche libere o doppi legami coniugati con l’anello.
- Può donare o ritirare elettroni per delocalizzazione.
- Es: −OH, −NH₂ donano elettroni → attivano.
- Es: −CHO, −COOH ritirano elettroni → disattivano.

Influenza sulla reattività

Sostituenti attivanti → aumentano la reattività (es. −OH, −NH₂, −OCH₃).
Sostituenti disattivanti → riducono la reattività (es. −NO₂, −COOH, −CN).
Gli effetti si notano nelle posizioni orto e para rispetto al sostituente.

Conflitto tra effetto induttivo e risonanza

Alcuni gruppi, come gli alogeni (es. Cl, Br), ritirano per effetto induttivo ma donano per risonanza → risultato: disattivanti, ma ortopara-orientanti.

Nota di metodo

Non è utile memorizzare tutto; meglio capire i principi base (elettronegatività, presenza di coppie libere, possibilità di risonanza).

Esercizi

Benzaldeide: mostra un gruppo −CHO che ritira elettroni per risonanza e induttivamente → disattivante.
Metossibenzene (anisolo): gruppo −OCH₃ dona elettroni per risonanza → attivante.

Una spiegazione degli effetti sostituenti

1. Direzione della sostituzione (Orto, Meta, Para)

I gruppi attivanti (donatori di elettroni) dirigono in orto e para.
I gruppi disattivanti (attrattori di elettroni) dirigono in meta, tranne gli alogeni, che pur essendo disattivanti dirigono comunque in orto e para.

2. Meccanismi ed Effetti

Effetto induttivo: dovuto all’elettronegatività del sostituente → ritira elettroni attraverso i legami σ.
Effetto di risonanza: coinvolge la delocalizzazione degli elettroni π (es. gruppi -OH, -NH₂) → può donare elettroni all’anello.

Se il sostituente ha una coppia elettronica libera su un atomo direttamente legato all’anello (O, N), può donare elettroni per risonanza, stabilizzando l’intermedio della reazione (lo ione arenio).

3. Reattività e stabilità dell’intermedio (carbocatione)

I gruppi attivanti stabilizzano il carbocatione formato durante l’attacco elettrofilo → reazione più rapida.
I gruppi disattivanti destabilizzano l’intermedio → reazione più lenta.
Gli alogeni sono un caso particolare: disattivano per induzione ma donano per risonanza, perciò rallentano la reazione ma mantengono la direzione orto/para.

4. Effetto sterico

Più è grande il sostituente (es. da metile a terz-butile), più difficile è l’attacco elettrofilo in posizione orto → prevale il prodotto para.
Anche la dimensione dell’elettrofilo influisce sull’esito.

Esempio:

Substrato	% orto	% para	Rapporto o/p
Toluene	58	37	1.57:1
Isopropilbenzene	30	62	0.48:1
Terz-butilbenzene	16	73	0.22:1

5. Classificazione dei sostituenti

Attivanti orto/para:

Forti: -NH₂, -OH, -OR, -NR₂
Moderati: -NHCOR
Deboli: -CH₃, altri alchilici

Disattivanti meta:

Forti: -NO₂, -CF₃
Moderati: -CN, -COOH, -CHO, -COR

Disattivanti orto/para:

Tutti gli alogeni: F > Cl > Br > I (dal meno al più disattivante)

Esempi

Metilbenzene (Toluene): il gruppo -CH₃ è un attivante debole → direzione orto/para.
Anisolo (metossibenzene): il gruppo -OCH₃ è un forte donatore per risonanza → direzione orto/para, alta reattività.

Conclusione pratica

Per ogni derivato del benzene, puoi:

Identificare se il sostituente è donatore o attrattore di elettroni.
Determinare se è un attivatore o disattivatore.
Capire se dirige l'elettrofilo in orto/para o meta.
Prevedere la reattività relativa e i prodotti principali della reazione.

Benzeni trisostituiti - Additività degli effetti

Principi generali

In un benzene disostituito, l'introduzione di un terzo sostituente dipende dagli effetti combinati dei due già presenti.
Ogni sostituente può essere:
- Attivante o disattivante
- Orto/para-orientante (es. –OH, –NH₂, –CH₃) o meta-orientante (es. –NO₂, –CN, –COOH)

Tipi di interazione tra sostituenti

Cooperativa (rinforzante):
- I due sostituenti orientano il nuovo gruppo nella stessa direzione o verso posizioni compatibili.
- La previsione del prodotto è più semplice.
- La simmetria facilita ulteriormente la previsione.
- Se due posizioni sono equivalenti, si preferisce quella meno ingombrata.
Antagonista (non cooperativa):
- I due gruppi orientano verso posizioni diverse, generando conflitto.
- Richiede analisi più approfondita.
- Il sostituente più attivante o con coppie elettroniche libere tende a dominare.
- Anche l’ingombro sterico gioca un ruolo importante.
- Alcuni gruppi possono cambiare natura in ambienti acidi forti (es. –NH₂ → –NH(CH₃)₂⁺, da attivante a disattivante).

Esempi pratici

Nei casi cooperativi, i prodotti sono facilmente prevedibili in base alla somma degli effetti orientanti.
Nei casi antagonisti, si osservano:
- Influenza predominante del gruppo più stabilizzante
- Possibili deviazioni dalla regola per effetto sterico o elettronico

Conclusione

La posizione del terzo sostituente in un benzene disostituito si prevede considerando:
- Tipo di sostituenti presenti
- Loro orientamento
- Simmetria e ingombro molecolare
- Condizioni della reazione (es. ambiente acido)

Sostituzione nucleofila aromatica

Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di:

identificare le condizioni necessarie affinché un alogenuro arilico subisca una sostituzione nucleofila aromatica e fornire un esempio di tale reazione.
scrivere il dettagliato meccanismo per una reazione di sostituzione nucleofila aromatica.
confrontare il meccanismo di una reazione di sostituzione aromatica nucleofila e dei meccanismi S N 1 e S N 2 discussi in precedenza.
identificare il prodotto formato quando un dato nucleofilo reagisce con un dato alogenuro arilico in una reazione di sostituzione nucleofila aromatica.

Assicurati di saper definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito:

complesso di Meisenheimer
sostituzione nucleofila aromatica

Una reazione di sostituzione nucleofila aromatica è una reazione in cui uno dei sostituenti in un anello aromatico viene sostituito da un nucleofilo.

Un complesso di Meisenheimer è un intermedio con carica negativa formato dall'attacco di un nucleofilo su uno degli atomi di carbonio dell'anello aromatico durante una reazione di sostituzione nucleofila aromatica. Un tipico complesso di Meisenheimer è mostrato nello schema di reazione seguente. Si noti come questo particolare complesso possa essere formato a partire da due diversi materiali di partenza, utilizzando in entrambi i casi un nucleofilo diverso.

Reazioni di spostamento aromatico nucleofilo degli alogenuri arilici

I legami carbonio-alogeno degli alogenuri arilici sono simili a quelli degli alogenuri alchenilici, essendo molto più forti di quelli degli alogenuri alchilici. Gli alogenuri arilici semplici sono generalmente resistenti all'attacco dei nucleofili nelle reazioni S2N2 o S2N2. Tuttavia, questa bassa reattività può essere drasticamente modificata da cambiamenti nelle condizioni di reazione e nella struttura dell'alogenuro arilico. Infatti, lo spostamento nucleofilo diventa piuttosto rapido.

quando l'alogenuro arilico viene attivato mediante sostituzione con gruppi fortemente attrattivi per gli elettroni come NO2, e
quando vengono utilizzati reagenti nucleofili fortemente basici.

Meccanismo di addizione-eliminazione della sostituzione nucleofila degli alogenuri arilici

Sebbene gli alogenuri arilici semplici siano inerti agli usuali reagenti nucleofili, una notevole attivazione è prodotta da sostituenti fortemente elettron-attrattori, a condizione che questi si trovino in posizione orto o para, o in entrambe. Ad esempio, lo spostamento dello ione cloruro dall'1-cloro-2,4-dinitrobenzene da parte della dimetilammina avviene prontamente in soluzione di etanolo a temperatura ambiente. Nelle stesse condizioni il clorobenzene non riesce a reagire completamente; pertanto l'influenza attivante dei due gruppi nitro ammonta a un fattore di almeno 108:

Una reazione correlata è quella del 2,4-dinitrofluorobenzene con i gruppi amminici di peptidi e proteine; questa reazione fornisce un mezzo per l'analisi degli aminoacidi N-terminali delle catene polipeptidiche.

In generale, le reazioni degli alogenuri arilici attivati assomigliano molto alle reazioni di sostituzione SN2 degli alogenuri alifatici. Gli stessi reagenti nucleofili sono efficaci (ad esempio, CH3O⊖, HO⊖ e RNH2); le reazioni sono complessivamente del secondo ordine (primo ordine per l'alogenuro e primo ordine per il nucleofilo); per un dato alogenuro, più il reagente di attacco è nucleofilo, più la reazione è veloce. Tuttavia, deve esserci più di una sottile differenza nel meccanismo perché un alogenuro arilico non è in grado di passare attraverso lo stesso tipo di stato di transizione di un alogenuro alchilico negli spostamenti SN2.

Il meccanismo generalmente accettato della sostituzione nucleofila aromatica degli alogenuri arilici con gruppi attivanti prevede due fasi. La prima fase prevede l'attacco del nucleofilo Y:⊖ al carbonio che porta il sostituente alogeno per formare un carbanione intermedio. Il sistema aromatico viene distrutto con la formazione dell'anione e il carbonio nel sito di reazione passa da planare (legami sp2) a tetraedrico (legami sp3).

Nel secondo passaggio, la perdita di un anione, X⊖ o Y⊖, rigenera un sistema aromatico e, se X⊖ viene perso, la reazione complessiva è lo spostamento nucleofilo di X da parte di Y.

Nel caso di un reagente nucleofilo neutro, Y o HY, la sequenza di reazione sarebbe la stessa, salvo i necessari aggiustamenti della carica dell'intermedio:

Perché questo percorso di reazione è generalmente sfavorevole per gli alogenuri arilici semplici? La risposta è che l'intermedio ha un'energia troppo elevata per potersi formare in modo pratico. Non solo ha perso la stabilizzazione aromatica dell'anello benzenico, ma la sua formazione comporta il trasferimento di una carica negativa ai carboni dell'anello, che di per sé non sono molto elettronegativi.

Tuttavia, quando sull'anello si trovano gruppi fortemente elettronegativi in posizione orto-para, l'anione intermedio si stabilizza grazie alla delocalizzazione degli elettroni dai carboni dell'anello a posizioni più favorevoli sui gruppi sostituenti. A titolo di esempio, si consideri lo spostamento del bromo da parte del metossido (OCH3) nella reazione di 4-bromonitrobenzene e ione metossido:

L'intermedio anionico formato dall'aggiunta dello ione metossido all'alogenuro arilico può essere descritto dalle strutture a legami di valenza 5a-5d. Di queste strutture, la 5d è particolarmente importante perché in essa la carica viene trasferita dai carboni dell'anello all'ossigeno del sostituente nitro:

I sostituenti in posizione meta hanno un effetto molto minore sulla reattività di un alogenuro arilico perché la delocalizzazione degli elettroni verso il sostituente non è possibile. Non è possibile scrivere formule analoghe a 5c e 5d, in cui le cariche negative sono entrambe su atomi vicini all'azoto positivo.

In alcuni casi sono stati isolati composti stabili che assomigliano all'intermedio di reazione ipotizzato. Un esempio classico è il complesso 7 (isolato da J. Meisenheimer), che è il prodotto della reazione dell'aril etere metilico 6 con l'etossido di potassio o dell'aril etere etilico 8 con il metossido di potassio:

Esercizi

Esercizio

Proponi un meccanismo per la seguente reazione:

Risposta

Benzene

Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di

identificare i reagenti e le condizioni necessarie per produrre fenolo dal clorobenzene su scala industriale.
scrivere il meccanismo per la conversione di un alogenuro alchilico in un fenolo attraverso un intermedio benzenico.
discutere le prove sperimentali che supportano l'esistenza di intermedi del benzene.
discutere il legame nel benzene e quindi spiegare la sua elevata reattività.

Assicurati di saper definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito:

benzene
meccanismo di eliminazione-addizione

Un meccanismo di eliminazione-addizione comporta l'eliminazione degli elementi di una piccola molecola da un substrato per produrre un intermedio altamente reattivo, che poi subisce una reazione di addizione.

Il meccanismo di eliminazione-addizione della sostituzione nucleofila aromatica coinvolge un intermedio notevole chiamato benzene o arene.

Meccanismo di eliminazione-addizione della sostituzione nucleofila aromatica. Arini

Le reattività degli alogenuri arilici, come gli alobenzeni, sono estremamente basse nei confronti dei reagenti nucleofili che normalmente effettuano sostituzioni con alogenuri alchilici e alogenuri arilici attivati. Le sostituzioni avvengono in condizioni di forzatura, con temperature elevate o basi molto forti. Ad esempio, il clorobenzene reagisce con una soluzione di idrossido di sodio a temperature intorno ai 340° e questa reazione era un tempo un importante processo commerciale per la produzione di benzenolo (fenolo):

Inoltre, cloruri arilici, bromuri e ioduri possono essere convertiti in areneammine ArNH2 dalle basi coniugate delle ammine. Infatti, la reazione dell'ammide di potassio con il bromobenzene è estremamente rapida, anche a temperature di -33° con ammoniaca liquida come solvente:

Tuttavia, le reazioni di sostituzione di questo tipo differiscono dalle sostituzioni di alogenuri arilici attivati precedentemente discusse in quanto spesso si verifica un riarrangiamento. Cioè, il gruppo entrante non occupa sempre la stessa posizione sull'anello lasciata libera dal sostituente alogeno. Ad esempio, l'idrolisi del 4-clorometilbenzene a 340° dà una miscela equimolare di 3- e 4-metilbenzenoli:

Ancora più sorprendente è la formazione esclusiva di 3-metossibenzenammina nell'aminazione del 2-clorometossibenzene. Si noti che questo risultato è una violazione del principio del minimo cambiamento strutturale:

Il meccanismo di questo tipo di reazione è stato ampiamente studiato e si sono accumulate molte prove a sostegno di un processo graduale, che procede prima con l'eliminazione catalizzata dalla base dell'alogenuro di idrogeno (HX) dall'alogenuro arilico, come illustrato di seguito per l'aminazione del bromobenzene:

Eliminazione

Il prodotto della reazione di eliminazione è un intermedio altamente reattivo chiamato benzene, o deidrobenzene, che si differenzia dal benzene per avere due idrogeni in meno e un legame in più tra due carboni orto. Il benzene reagisce rapidamente con qualsiasi nucleofilo disponibile, in questo caso il solvente, l'ammoniaca, per dare un prodotto di addizione:

Addizione

I riarrangiamenti in queste reazioni derivano dall'attacco del nucleofilo a uno o all'altro dei carboni del legame extra nell'intermedio. Nel caso del benzene la simmetria è tale da non rilevare alcun riarrangiamento. Con i benzeni sostituiti si possono ottenere prodotti isomerici. Così il 4-metilbenzina, 10

dalla reazione dello ione idrossido con il 4-cloro-1-metilbenzene dà sia 3- che 4-metilbenzenoli:

Nelle reazioni benzeniche precedenti, la base che produce il benzene nella fase di eliminazione deriva dal nucleofilo che si aggiunge nella fase di addizione. Non è detto che sia sempre così, a seconda delle condizioni di reazione. Infatti, l'utilità sintetica delle reazioni ariniche dipende in gran parte dal successo con cui l'arina può essere generata da un reagente ma catturata da un altro. Uno di questi metodi sarà discusso nella Sezione 14-10C e coinvolge composti organometallici derivati da alogenuri arilici. Un altro metodo consiste nel generare l'arina mediante decomposizione termica di un composto di arene 1,2disostituite come 11

in cui entrambi i sostituenti sono gruppi uscenti: uno esce con una coppia di elettroni, l'altro esce senza

Quando 11 si decompone in presenza di un nucleofilo aggiunto, l'intermedio benzene viene intrappolato dal nucleofilo mentre si forma. In alternativa, se è presente un diene coniugato, il benzene reagirà con esso mediante una [4 + 2] cicloaddizione. In assenza di altri composti con cui possa reagire, il benzene subirà una [2 + 2] cicloaddizione con se stesso:

Esercizio

Quando il p-clorotoluene viene fatto reagire con NaOH, si osservano due prodotti. Quando il m-clorotoluene viene fatto reagire con NaOH, si osservano tre prodotti. Spiegare questo fatto.

Risposta

È necessario esaminare gli intermedi benzenici. Il para sostituito consente solo due prodotti, mentre il para produce due alchini diversi che danno tre prodotti diversi.

Ossidazione dei composti aromatici

Dopo aver completato questa sezione, dovreste essere in grado di:

scrivere un'equazione per descrivere l'ossidazione di un alchilbenzene a un acido carbossilico.
identificare i reagenti necessari per ossidare un dato alchilbenzene a un acido carbossilico.
identificare il prodotto che si forma dall'ossidazione della catena laterale di un dato alchilbenzene.
identificare il composto aromatico necessario per produrre un dato acido carbossilico attraverso l'ossidazione della catena laterale.
scrivere l'equazione per la bromurazione della catena laterale di un alchilbenzene.
identificare i reagenti e le condizioni necessarie per ottenere la bromurazione della catena laterale di un alchilbenzene.
identificare il prodotto che si forma quando un dato alchilbenzene subisce la bromurazione della catena laterale.
identificare l'alchilbenzene necessario per preparare un determinato bromuro benzilico per sostituzione radicale.
scrivere il meccanismo della sostituzione radicale in posizione benzilica di un alchilbenzene.
spiegare la stabilità dei radicali benzilici in termini di risonanza e disegnare i collaboratori di risonanza di un dato radicale benzilico.
spiegare e illustrare con esempi appropriati l'importanza dei bromuri benzilici come intermedi nelle sintesi organiche.
disporre una data serie di radicali (compresi quelli di tipo benzilico) in ordine di stabilità crescente o decrescente. (Rivedere la sezione 10.3 se necessario).

Assicurati di saper definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito:

ossidazione benzilica
posizione benzilica
ossidazione della catena laterale

Come si può vedere dagli esempi, indipendentemente dalla lunghezza del gruppo alchilico nel substrato arenico, il prodotto è sempre un gruppo carbossilico a un carbonio. Pertanto, l'atomo di carbonio benzilico è stato ossidato e il termine ossidazione benzilica è appropriato. Anche il termine ossidazione della catena laterale è comunemente usato.

Negli alchilbenzeni, l'atomo di carbonio collegato all'anello aromatico è particolarmente reattivo. Le reazioni che avvengono su questo atomo di carbonio sono dette in posizione benzilica.

Si consiglia di rivedere la sezione 10.3 per ricordare la bromurazione allilica con N-bromosuccinimmide.

Gli alogenuri benzilici subiscono le reazioni tipiche degli alogenuri alchilici; pertanto, ci si può aspettare di vedere questi composti utilizzati frequentemente nelle sintesi multistep.

Si noti che abbiamo adottato la terminologia riportata di seguito.

Qualsiasi composto del tipo:

(dove X = alogeno) verrà definito “alogenuro benzilico”.

Composti del tipo:

sono in realtà chiamati cloruro di benzile, bromuro di benzile, ecc.

Il composto:

è chiamato alcol benzilico.

Ossidazione delle catene laterali alchiliche

Gli idrogeni benzilici dei sostituenti alchilici sull'anello benzenico sono attivati verso l'attacco dei radicali liberi, come già detto. Inoltre, le reazioni SN1 SN2 ed E1 degli alogenuri benzilici mostrano una maggiore reattività, dovuta all'anello aromatico adiacente. La possibilità che queste osservazioni riflettano un'attivazione benzilica generale è supportata dalla suscettibilità delle catene laterali alchiliche alla degradazione ossidativa, come mostrato negli esempi seguenti (la catena laterale ossidata è colorata). Tali ossidazioni sono normalmente effettuate da soluzioni acide calde di permanganato, ma per le operazioni industriali su larga scala sono preferibili le ossidazioni catalizzate all'aria. È interessante notare che se la posizione benzilica è completamente sostituita, la degradazione ossidativa non si verifica.

Queste equazioni non sono bilanciate. L'ossidante permanganato viene ridotto, di solito a Mn(IV) o Mn(II). Altri due esempi di questa reazione sono riportati di seguito e illustrano la sua utilità nella preparazione di acidi benzoici sostituiti.

Bromurazione del carbonio benzilico

Il C-H benzilico si lega in modo più debole rispetto alla maggior parte dei C-H ibridati sp3. Questo perché il radicale formato dall'omolisi è stabilizzato per risonanza.

Stabilizzazione di risonanza del radicale benzilico

A causa dei deboli legami C-H, gli idrogeni benzilici possono formare alogenuri benzilici in condizioni radicali.

NBS come fonte di bromo

L'NBS (N-bromosuccinimmide) è il reagente più comunemente usato per produrre basse concentrazioni di bromo. In sospensione nel tetracloruro (CCl4), l'NBS reagisce con tracce di HBr per produrre una concentrazione di bromo sufficientemente bassa da facilitare la reazione di bromurazione allilica.

Meccanismo di bromurazione allilica

Fase 1: Iniziazione

Una volta che la fase di pre-iniziazione che coinvolge l'NBS produce piccole quantità di Br2, le molecole di bromo vengono scisse omoliticamente dalla luce per produrre radicali di bromo.

Fasi 2 e 3: Propagazione

Fase 4: terminazione

Esercizio

Prevedi i prodotti delle seguenti due reazioni.

Risposta

Il secondo non porta a nessuna reazione perché richiede un idrogeno appena fuori dall'anello fenilico.

Esercizio

Considerate un radicale benzilico. Sarebbe più stabile di un radicale alchilico? Spiegate.

Risposta

Sì, sarebbe più stabile di un radicale alchilico. Il radicale benzilico è stabilizzato attraverso diverse strutture di risonanza in cui il radicale si sposta attraverso l'anello grazie al sistema pi greco.

Esercizio

Come si ottiene la seguente molecola?

Risposta

La seguente è solo una delle possibilità:

Riduzione dei composti aromatici

Dopo aver completato questa sezione, dovreste essere in grado di:

scrivere un'equazione per rappresentare la riduzione di un benzene sostituito a un cicloesano sostituito.
identificare il catalizzatore e i reagenti utilizzati per ridurre gli anelli aromatici.
confrontare la facilità di riduzione degli alcheni con la difficoltà di riduzione degli anelli benzenici e mostrare come questa differenza di reattività possa essere utilizzata nella sintesi organica.
scrivere un'equazione che illustri la riduzione di un chetone aromatico ad un arene.
spiegare perché l'acilazione di Friedel-Crafts, seguita da riduzione, fornisce una via migliore agli alchilbenzeni primari rispetto all'alchilazione diretta.
mostrare come un determinato alchilbenzene possa essere preparato da un'acilazione di Friedel-Crafts, seguita da riduzione. Specificare tutti i reagenti, la struttura del chetone intermedio e il materiale di partenza necessario.

L'idrogenazione catalitica degli anelli aromatici richiede condizioni di forzatura (calore elevato e pressione dell'idrogeno).

In condizioni più blande è possibile ridurre il doppio legame di un alchene senza ridurre l'anello aromatico.

Nell'equazione precedente si nota che H2/Pd non riduce il gruppo cheto-carbonilico. Ricordiamo, tuttavia, che H2/Pd riduce un gruppo cheto-carbonilico quando è direttamente collegato a un anello aromatico (vedere le equazioni 4 e 5 alla voce Riduzioni carboniliche).

Questa riduzione del gruppo (C=O) vicino a un anello aromatico è un importante strumento sintetico. Ricordiamo l'alchilazione di Friedel-Crafts della Sezione 16.3. Quando si attaccano gruppi alchilici più grandi all'arene c'è la possibilità di riarrangiamento della struttura del gruppo alchilico.

Per generare il composto target (in questo caso l'n-propilbenzene) in modo più controllato, si può semplicemente utilizzare l'equivalente acilazione di Friedel-Crafts e poi ridurre il gruppo cheto-carbonilico vicino all'anello come passo finale.

Reazioni di riduzione aromatica

Sebbene lo faccia meno prontamente degli alcheni o dei dieni semplici, il benzene aggiunge idrogeno ad alta pressione in presenza di catalizzatori di Pt, Pd o Ni. Il prodotto è il cicloesano e il calore di reazione dimostra la stabilità termodinamica del benzene. Anche gli anelli benzenici sostituiti possono essere ridotti in questo modo e i composti idrossisostituiti, come il fenolo, il catecolo e il resorcinolo, danno prodotti carbonilici derivanti dalla rapida chetonia degli enoli intermedi. A questo scopo vengono spesso utilizzati catalizzatori al nichel, come indicato nelle equazioni seguenti.

Il benzene è più suscettibile alle reazioni di addizione radicalica che a quelle di addizione elettrofila. Abbiamo già notato che il benzene non reagisce con il cloro o il bromo in assenza di un catalizzatore e di calore. In presenza di forte luce solare o di iniziatori radicali, il benzene si addiziona a questi alogeni per dare esalocicloesani. Vale la pena di notare che queste stesse condizioni producono la sostituzione radicale del cicloesano; i fattori chiave di questo cambiamento di comportamento sono i legami pi greco del benzene, che permettono l'addizione, e i legami C-H più deboli del cicloesano. L'aggiunta di cloro è mostrata in basso a sinistra; due dei sette meso-stereoisomeri sono mostrati a destra.

foto

Riduzione di gruppi nitro e chetoni arilici

Le reazioni di nitrazione elettrofila e di acilazione di Friedel-Crafts introducono sostituenti disattivanti e metadiretti su un anello aromatico. Gli atomi attaccati sono in uno stato di ossidazione elevato e la loro riduzione converte queste funzioni che sottraggono elettroni in gruppi amminici e alchilici che donano elettroni. La riduzione si ottiene facilmente per idrogenazione catalitica (H2 + catalizzatore) o con metalli riducenti in acido. Esempi di queste riduzioni sono mostrati qui, l'equazione 6 dimostra la riduzione simultanea di entrambe le funzioni. Si noti che il prodotto butilbenzene nell'equazione 4 non può essere generato dall'alchilazione diretta di Friedel-Crafts a causa del riarrangiamento dei carbocationi. Lo zinco utilizzato nelle riduzioni dei chetoni, come nel caso di 5, viene solitamente attivato mediante lega con il mercurio (un processo noto come amalgama).

Sono noti diversi metodi alternativi per ridurre i gruppi nitro ad ammine. Questi includono zinco o stagno in acido minerale diluito e solfuro di sodio in soluzione di idrossido di ammonio. Le procedure sopra descritte sono sufficienti per la maggior parte dei casi.

La riduzione di Betulla

Un altro modo per aggiungere idrogeno all'anello benzenico è il trattamento con una soluzione ricca di elettroni di metalli alcalini, solitamente litio o sodio, in ammoniaca liquida. Si vedano gli esempi di questa reazione, chiamata riduzione di Birch. La riduzione di Birch è la riduzione per dissoluzione di metalli degli anelli aromatici in presenza di un alcol.

Meccanismo:

Limitazioni dell'alchilazione di Friedel-Crafts

Riarrangiamento dei carbocationi - È possibile produrre solo alcuni alchilbenzeni a causa della tendenza dei cationi a riarrangiarsi.
Limitazioni dei composti - Friedel-Crafts fallisce se utilizzato con composti come il nitrobenzene e altri sistemi fortemente disattivanti.
Polialchilazione - I prodotti di Friedel-Crafts sono ancora più reattivi del materiale di partenza. I gruppi alchilici prodotti nell'alchilazione di Friedel-Crafts sono sostituenti elettron-donatori, il che significa che i prodotti sono più suscettibili all'attacco elettrofilo rispetto al materiale di partenza. Ai fini della sintesi, questa è una grande delusione.

Per ovviare a queste limitazioni, è stata ideata una reazione nuova e migliorata: L'acilazione di Friedel-Crafts, nota anche come alcanoilazione di Friedel-Crafts.

L'obiettivo della reazione è il seguente:

Il primo passo prevede la formazione dello ione acilio che reagirà successivamente con il benzene:

La seconda fase prevede l'attacco dello ione acilio al benzene come nuovo elettrofilo per formare un complesso:

La terza fase prevede l'allontanamento del protone affinché l'aromaticità ritorni al benzene:

Durante il terzo passaggio, AlCl4 torna a rimuovere un protone dall'anello benzenico, che consente all'anello di tornare all'aromaticità. In questo modo, l'AlCl3 originale viene rigenerato per essere nuovamente utilizzato, insieme all'HCl. Soprattutto, abbiamo la prima parte del prodotto finale della reazione, che è un chetone. La prima parte del prodotto è il complesso con il cloruro di alluminio, come mostrato:

La fase finale prevede l'aggiunta di acqua per liberare il prodotto finale come acilbenzene:

Poiché lo ione acilico (come mostrato nel primo passaggio) è stabilizzato dalla risonanza, non si verifica alcun riarrangiamento (Limitazione 1). Inoltre, a causa della disattivazione del prodotto, esso non è più suscettibile all'attacco elettrofilo e quindi non è più suscettibile all'attacco elettrofilo e quindi non va più incontro a ulteriori reazioni (Limitazione 3). Tuttavia, poiché non tutto è perfetto, la limitazione 2 prevale ancora quando l'acilazione di Friedel-Crafts fallisce con anelli fortemente disattivanti.

Esercizio

Come si ottiene il seguente risultato dal benzene e da un cloruro acido?

Sintesi di benzeni polisostituti

Dopo aver completato questa sezione, dovreste essere in grado di:

Progettare una sintesi a più fasi che possa coinvolgere reazioni nella catena laterale alchilica di un alchilbenzene e le reazioni di sostituzione elettrofila discusse in questo capitolo. Dovete prestare particolare attenzione a: eseguire le reazioni nell'ordine corretto, utilizzare i reagenti e le condizioni più appropriate, i limiti di alcuni tipi di reazioni.
Analizzare una proposta di sintesi a più fasi che coinvolge la sostituzione aromatica per determinarne la fattibilità, evidenziare eventuali errori nella proposta e identificare possibili aree problematiche.

Come si può notare, la progettazione di una sintesi multistep richiede una mente analitica e una capacità di pensare in modo logico, oltre alla conoscenza delle reazioni organiche. Il modo migliore per diventare esperti nella progettazione di tali sintesi è quello di fare molta pratica svolgendo numerosi problemi.

La capacità di pianificare una sintesi multi-fase di successo di molecole complesse è uno degli obiettivi dei chimici organici. Ciò richiede una conoscenza pratica degli usi e dei limiti di molte reazioni organiche - non solo quali reazioni usare, ma anche quando. Seguono alcuni esempi:

Dal benzene si ottiene la m-bromoanilina

In questa reazione sono necessarie tre reazioni.

Una nitrazione
Una conversione del gruppo nitro in un'ammina
Una bromurazione

Poiché il prodotto finale è meta, è necessario utilizzare un gruppo di direzione meta. Dei gruppi nitro, bromo e ammina, solo il gruppo nitro è metadiretto. Ciò significa che il primo passo deve essere la nitrazione e non la bromurazione. Inoltre, la conversione del gruppo nitro in ammina deve avvenire per ultima, perché il gruppo amminico ha direzione orto/para.

Dal benzene si ottiene il p-nitropropilbenzene:

In questa reazione sono necessarie tre reazioni:

Un'acilazione di Friedel Crafts
Una conversione del gruppo acilico in un alcano
Una nitrazione

Poiché il gruppo propile ha più di due carboni, deve essere aggiunto in due fasi. Un'acilazione di Friedel Crafts seguita da una riduzione di Clemmensen. Ricordiamo che le reazioni di Friedel Crafts sono ostacolate se l'anello benzenico è fortemente disattivato. Ciò significa che il gruppo acilico deve passare per primo. Poiché il prodotto finale è para, è necessario utilizzare un gruppo direttivo para. Dei gruppi nitro, acile e alcano, solo il gruppo alcano è metadiretto. Ciò significa che il gruppo acilico deve essere convertito in alcano prima della fase di nitrazione.

Esercizio

Come si possono ottenere i seguenti composti dal benzene?

m-bromonitrobenzene

m-bromoetilbenzene

Risposta

Per ogni composto è indicata una sola sintesi possibile. Le possibilità sono molteplici.

Esercizio

C'è qualcosa di sbagliato nella seguente reazione, che cos'è?

Risposta

Il bromo dovrebbe essere in posizione meta. In questo momento è in posizione orto, forse perché il gruppo etilico è presente per primo e poi è stato sostituito. Ma il gruppo etilico si forma per ultimo e i gruppi aldeidico e nitro favoriscono entrambi una sostituzione meta.