Chimica organica per il liceo/Reazioni del benzene/Approfondimenti



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Benzeni trisostituiti - Additività degli effetti

Obiettivi	Prevedere la posizione o le posizioni in cui avverrà la sostituzione elettrofila quando un terzo sostituente viene introdotto in un anello benzenico disostituito. Spiegare il modello di sostituzione osservato quando un terzo sostituente viene introdotto in un anello benzenico disostituito.

Interazione orientazionale dei sostituenti

Quando un anello benzenico ha due gruppi sostituenti, ciascuno esercita un'influenza sulle successive reazioni di sostituzione. L'attivazione o la disattivazione dell'anello può essere prevista più o meno dalla somma degli effetti individuali di questi sostituenti. Il sito in cui viene introdotto un nuovo sostituente dipende dall'orientazione dei gruppi esistenti e dai loro effetti di indirizzamento individuali. Possiamo identificare due categorie generali di comportamento:

Rinforzante o Cooperativo: Le influenze di indirizzamento dei gruppi agiscono di concerto, rafforzando il risultato.
Antagonistico o Non Cooperativo: Le influenze di indirizzamento dei gruppi sono opposte l'una all'altra.

Si noti che le orientazioni in ciascuna categoria cambiano a seconda che i gruppi abbiano effetti di indirizzamento individuali simili o opposti.

D = Gruppo elettron-donatore (orto/para-direttore)
W = Gruppo elettron-attrattore (meta-direttore)


Antagonista o non cooperativo	Rinforzante o cooperativo
Trisubstituted Benzenes - Antagonistic or Non-Cooperative	Trisubstituted Benzenes - Reinforcing or Cooperative

Sostituzioni di rinforzo o cooperative

I prodotti delle reazioni di sostituzione di composti con un'orientazione di rinforzo dei sostituenti sono più facili da prevedere rispetto a quelli con sostituenti antagonistici. Ad esempio, le reazioni descritte di seguito sono tutti esempi di effetti di indirizzamento di rinforzo o cooperativi che operano nel modo previsto. La simmetria, come nei primi due casi, rende facile prevedere il sito in cui è probabile che avvenga la sostituzione. Si noti che se due siti diversi sono favoriti, la sostituzione avverrà di solito in quello meno impedito stericamente dai gruppi in posizione orto.

Reinforcing or Cooperative Substitutions

I primi tre esempi hanno due gruppi con effetto dirigente simile in una relazione meta l'uno con l'altro. Negli esempi dal 4 al 6, gruppi con effetti dirigenti opposti hanno una relazione orto o para. I prodotti principali della sostituzione elettrofila, come mostrato, sono la somma degli effetti dei singoli gruppi. I sostituenti fortemente attivanti idrossile ( ${\ce {-OH}}$ ) e amminico ( ${\ce {-NH2}}$ ) favoriscono la dialogenazione negli esempi 5 e 6.

Sostituzioni antagonistiche o non cooperative

Le reazioni di sostituzione di composti con un'orientazione antagonistica dei sostituenti richiedono un'analisi più attenta. Se i sostituenti sono identici, come nell'esempio 1, la simmetria della molecola semplificherà nuovamente la decisione. Quando un sostituente ha una coppia di elettroni di non legame disponibile per la stabilizzazione della carica adiacente, normalmente eserciterà l'influenza determinante sul prodotto (esempi 2, 4 e 5), anche se può essere complessivamente disattivante (caso 2). Il caso 3 riflette una combinazione di impedimento sterico e la superiore capacità di stabilizzazione innata dei gruppi metilici rispetto ad altri sostituenti alchilici. L'esempio 6 è interessante in quanto dimostra la conversione di un gruppo attivante orto/para-direttore in un catione "onio" disattivante e meta-direttore [ ${\ce {-NH(CH3)2^+}}$ ] in un ambiente fortemente acido.

Sostituzione nucleofila aromatica

Obiettivi	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 meccanismo dettagliato di una reazione di sostituzione nucleofila aromatica. confrontare il meccanismo di una reazione di sostituzione nucleofila aromatica con i meccanismi SN1 e SN2 discussi in precedenza. identificare il prodotto che si forma quando un dato nucleofilo reagisce con un dato alogenuro arilico in una reazione di sostituzione nucleofila aromatica.
Parole chiave	Assicurati di poter definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito. Complesso di Meisenheimer Sostituzione nucleofila aromatica
Note di studio	Una sostituzione nucleofila aromatica è una reazione in cui uno dei sostituenti di un anello aromatico viene sostituito da un nucleofilo. Un complesso di Meisenheimer è un intermedio a carica negativa che si forma in seguito all'attacco di un nucleofilo su uno degli atomi di carbonio dell'anello aromatico nel corso di una reazione di sostituzione nucleofila aromatica. Un tipico complesso di Meisenheimer è mostrato nello schema di reazione sottostante. Si noti come questo particolare complesso possa essere formato da due diversi materiali di partenza utilizzando un nucleofilo diverso in ciascun caso. La formazione di un tipico complesso di Meseinheimer Figura 16.7.1: La formazione di un tipico complesso di Meisenheimer

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).

Prima fase della sostituzione nucleofila aromatica degli alogenuri arilici

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, C-N-O e O-N-O,

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

Benzino

Obiettivi	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 arilico in un fenolo attraverso un intermedio benzino. discutere le prove sperimentali che supportano l'esistenza di intermedi benzino. discutere il legame nel benzino e, di conseguenza, spiegare la sua elevata reattività.
Parole chiave	Assicurati di poter definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito. benzino meccanismo di eliminazione-addizione
Note di studio	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 benzino o arino.

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 benzino, o deidrobenzene, che si differenzia dal benzene per avere due idrogeni in meno e un legame in più tra due carboni orto. Il benzino 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

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: scrivere un'equazione per descrivere l'ossidazione di un alchilbenzene ad acido carbossilico. identificare i reagenti necessari per ossidare un dato alchilbenzene ad acido carbossilico. identificare il prodotto formato 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 effettuare la bromurazione nella catena laterale di un alchilbenzene. identificare il prodotto formato quando un dato alchilbenzene subisce la bromurazione della catena laterale. identificare l'alchilbenzene necessario per preparare un dato bromuro benzilico mediante sostituzione radicalica. scrivere il meccanismo della sostituzione radicalica in posizione benzilica di un alchilbenzene. spiegare la stabilità dei radicali benzilici in termini di risonanza e disegnare i contributori di risonanza di un dato radicale benzilico. spiegare, e illustrare con esempi appropriati, l'importanza dei bromuri benzilici come intermedi nelle sintesi organiche. ordinare una data serie di radicali (inclusi i radicali di tipo benzilico) in ordine di stabilità crescente o decrescente (rivedere la Sezione 10.3 se necessario).
Parole chiave	Assicurati di poter definire e utilizzare nel contesto i termini chiave riportati di seguito. ossidazione benzilica posizione benzilica ossidazione della catena laterale
Note di studio	Come si può vedere dagli esempi, indipendentemente dalla lunghezza del gruppo alchilico nel substrato arenico, il prodotto è sempre un gruppo carbossilico a un solo atomo di 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 che è legato all'anello aromatico è particolarmente reattivo. Si dice che le reazioni che avvengono su questo atomo di carbonio si verifichino in posizione benzilica. Potresti voler rivedere la Sezione 10.3 per ricordare la bromurazione allilica tramite N-bromosuccinimmide. Gli alogenuri benzilici subiscono le reazioni tipiche degli alogenuri alchilici; pertanto, ci si può aspettare di vedere tali composti usati frequentemente in sintesi a più stadi. Nota che abbiamo adottato la terminologia riportata di seguito. Qualsiasi composto del tipo Ar-CHR-X (dove X = alogeno) sarà definito "alogenuro benzilico". Composti del tipo ${\ce {C6H5CH2X}}$ sono in realtà chiamati cloruro di benzile, bromuro di benzile, ecc. Il composto ${\ce {C6H5CH2OH}}$ 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

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti 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 usati per ridurre gli anelli aromatici. confrontare la facilità di riduzione degli alcheni con la difficoltà di ridurre gli anelli benzenici e mostrare come questa differenza di reattività possa essere utilizzata nella sintesi organica. scrivere un'equazione per illustrare la riduzione di un chetone aromatico ad un arene. spiegare perché l'acilazione di Friedel-Crafts, seguita da riduzione, fornisca una via migliore per gli alchilbenzeni primari rispetto all'alchilazione diretta. mostrare come un alchilbenzene specifico possa essere preparato mediante un'acilazione di Friedel-Crafts, seguita da riduzione. Specificare tutti i reagenti, la struttura del chetone intermedio e il materiale di partenza necessario.
Note di studio	L'idrogenazione catalitica degli anelli aromatici richiede condizioni drastiche (alta temperatura e alta pressione di idrogeno). In condizioni più blande è possibile ridurre il doppio legame di un alchene senza ridurre l'anello aromatico. Si noti nell'equazione precedente che H2/Pd non riduce il gruppo cheto-carbonilico. Ricorda, tuttavia, che H2/Pd ridurrà un gruppo cheto-carbonilico quando è direttamente legato a un anello aromatico (vedi equazioni 4 e 5 in Riduzioni Carboniliche). Questa riduzione del gruppo ( ${\ce {C=O}}$ ) adiacente a un anello aromatico è un importante strumento sintetico. Richiama l'alchilazione di Friedel-Crafts dalla Sezione 16.3. Quando si legano gruppi alchilici più grandi agli areni, c'è la possibilità di una trasposizione (rearrangement) della struttura del gruppo alchilico. Per generare il composto desiderato (in questo caso l'n-propilbenzene) in modo più controllato, si può semplicemente usare l'equivalente acilazione di Friedel-Crafts e poi ridurre il gruppo cheto-carbonilico adiacente all'anello come passaggio 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.

L'addizione di cloro è mostrata in basso a sinistra; due dei sette meso-stereoisomerivengono visualizzati a destra

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 Birch

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.

Sintesi di benzeni polisostituti

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: Progettare una sintesi a più stadi che possa coinvolgere reazioni nella catena laterale alchilica di un alchilbenzene e le reazioni di sostituzione elettrofila discusse in questo capitolo. Dovresti prestare particolare attenzione a: eseguire le reazioni nell'ordine corretto. utilizzare i reagenti e le condizioni più appropriate. le limitazioni di certi tipi di reazioni. Analizzare una sintesi a più stadi proposta che coinvolga la sostituzione aromatica per determinarne la fattibilità, evidenziare eventuali errori nella proposta e identificare le possibili aree problematiche.
Note di studio	Come puoi vedere, progettare una sintesi a più stadi richiede una mente analitica e la capacità di pensare in modo logico, oltre a una conoscenza delle reazioni organiche. Il modo migliore per diventare esperti nella progettazione di tali sintesi è fare molta pratica risolvendo 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.