Chimica organica per il liceo/Reazioni del benzene/Più dettagli

Approfondimenti

Una volta completato il capitolo, dovresti essere in grado di

1. soddisfare tutti gli obiettivi dettagliati elencati in ciascuna sezione.
2. risolvere problemi di roadmap che richiedono la comprensione della chimica trattata in questo capitolo e in quelli precedenti.
3. 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.
4. 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

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di identificare la sostituzione elettrofila come la singola reazione più importante dei composti aromatici.
Parole chiave	acilazione alchilazione sostituzione elettrofila alogenazione idrossilazione nitrazione solfonazione
Note di studio	In questo capitolo, studierai tutte le reazioni mostrate nella tabella dei Tipi di Reazione. Oltre a questi cinque tipi di reazione, aggiungiamo anche una sesta comune sostituzione elettrofila nota come idrossilazione. È importante che tu riconosca le somiglianze tra queste reazioni per ridurre al minimo la quantità di nozioni da memorizzare.

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	Cosa viene attaccato al benzene	Prodotto
Alogenazione	Cl₂ o Br₂	FeCl₃ o FeBr₃	Cl⁺ o Br⁺	--Br (oppure --Cl)	Alo-benzene (es. C₆H₅Cl)
Nitrazione	HNO₃	H₂SO₄	NO₂⁺	--NO2	Nitrobenzene (C₆H₅NO₂)
Solfonazione	H₂SO₄ + SO₃	—	SO₃H⁺	--SO3H	Acido benzensolfonico
Alchilazione	R–Cl	AlCl₃	R⁺	--CH3 (oppure --CH2CH3)	Arene (C₆H₅–R)
Acilazione	RCOCl	AlCl₃	RCO⁺	--COCH3	Chetoni arilici (C₆H₅COR)
Idrossilazione	Reazione meno comune	—	—	--OH	Fenolo (C₆H₅OH)

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 aver completato 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.

Note di studio

Il Meccanismo per le Reazioni di Sostituzione Elettrofila del Benzene è la chiave per comprendere la sostituzione elettrofila aromatica. Vedrai equazioni simili scritte per la nitrazione, solfonazione, acilazione, ecc., con la differenza principale che consiste nell'identità dell'elettrofilo in ciascun caso. Nota che l'intermedio carbocationico formato ha un certo numero di forme di risonanza. Inoltre, potresti voler ripassare la Sezione 8.2 per raggiungere l'Obiettivo 3.

Perché avvenga la reazione è necessario un elettrofilo forte, infatti la reazione non procede con Br₂, un elettrofilo moderato.

Serve dunque un elettrofilo forte, come lo sono i cationi. Per queste reazioni di sostituzione elettrofila è stato proposto un meccanismo a due stadi. Nel primo stadio, lento o determinante la velocità, l'elettrofilo forma un legame sigma con l'anello benzenico, generando un intermedio di arenio carico positivamente . Nel secondo stadio, rapido, un protone viene rimosso da questo intermedio, producendo un anello benzenico sostituito. La seguente illustrazione in quattro parti mostra questo meccanismo per la reazione di bromurazione. È inoltre possibile visualizzare un diagramma animato.

Fase preliminare: Formazione del catione bromo fortemente elettrofilo

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 1: L'elettrofilo forma un legame sigma con l'anello benzenico, generando un intermedio di benzenonio caricato positivamente

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.

Fase 2: Un protone viene rimosso da questo intermedio, producendo un anello benzenico sostituito

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.

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:

1. Addizione di un nucleofilo (es. Sₙ1);
2. Perdita di un protone → doppio legame (es. E1);
3. 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:

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

Altre sostituzioni aromatiche

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: scrivere un'equazione bilanciata per l'alogenazione (F, Cl, Br, I) del benzene in presenza di un catalizzatore o promotore adatto. disegnare i contributori di risonanza per il carbocatione che si forma durante la reazione del cloro o del bromo con il benzene. scrivere l'equazione per la nitrazione e la solfonazione del benzene. scrivere il meccanismo dettagliato per la nitrazione e la solfonazione del benzene. scrivere l'equazione per la riduzione di un composto nitroaromatico ad ammina. identificare la solfonazione aromatica come un processo reversibile e descrivere le condizioni in cui sono favorite la reazione diretta e quella inversa. scrivere l'equazione per la desolfonazione di un acido solfonico aromatico. identificare gli acidi solfonici aromatici come intermedi chiave nella produzione dei sulfamidici.
Parole chiave	ione nitronio, (NO2+)
Note di studio	Dovresti fare attenzione a ricordare che lo iodio e il fluoro non possono essere introdotti in un anello aromatico con il metodo usato per il bromo e il cloro. Di per sé, lo iodio non è reattivo con gli anelli aromatici, ma un metodo per la iodurazione aromatica è il trattamento in presenza di un sale di rame come il cloruro di rame(II), dove ${\ce {I2}}$ viene ossidato alla specie più elettrofila ${\ce {I^+}}$. Al contrario, il fluoro è troppo reattivo, quindi non può essere usato direttamente per la fluorurazione aromatica. Tuttavia, agenti fluoruranti come il ditetrafluoroborato di 1-(clorometil)-4-fluoro-1,4-diazoniabiciclo[2.2.2]ottano (noto anche come F-TEDA-BF₄) venduto commercialmente come Selectfluor® offrono fonti convenienti di “${\ce {F^+}}$” per questo tipo di reazione. F-TEDA-BF₄ L'equazione complessiva per la formazione di ioni nitronio tramite l'azione dell'acido solforico sull'acido nitrico è ${\ce {HNO3 + 2 H2SO4 <=> H3O+ + NO2+ + 2 HSO4-}}$ La capacità di composti come il tetrafluoroborato di nitronio di effettuare la nitrazione di composti aromatici è una buona prova a sostegno del meccanismo proposto. La nitrazione di un anello aromatico è un'importante via sintetica per generare arilammine. La reazione sottostante mostra un metodo comune per ridurre il gruppo nitro. (Le ammine sono esaminate più in dettaglio nel Capitolo 24.)

Alogenazione del Benzene

L'alogenazione è un esempio di sostituzione elettrofila aromatica. Nelle sostituzioni elettrofile aromatiche, un benzene viene attaccato da un elettrofilo, il che risulta nella sostituzione di atomi di idrogeno. Tuttavia, gli alogeni non sono sufficientemente elettrofili da rompere l'aromaticità dei benzeni, per cui richiedono un catalizzatore per essere attivati.

Attivazione dell'Alogeno

(dove X = Br o Cl; discuteremo in dettaglio più avanti perché il fluoro e lo iodio, gli altri membri della famiglia degli alogeni, non vengono utilizzati nell'alogenazione dei benzeni)

Pertanto, l'alogeno necessita dell'aiuto di catalizzatori Acidi di Lewis per essere attivato e diventare un elettrofilo molto forte. Esempi di questi alogeni attivati sono gli alogenuri ferrici (${\ce {FeX3}}$) e gli alogenuri di alluminio (${\ce {AlX3}}$), dove X = Br o Cl. Negli esempi seguenti, l'alogeno che prenderemo in esame è il Bromo.

Nel caso del bromo, per renderlo sufficientemente elettrofilo da reagire con il benzene, utilizziamo l'aiuto di un alogenuro di alluminio come il bromuro di alluminio.

Con il bromuro di alluminio come acido di Lewis, possiamo mescolare ${\ce {Br2}}$ con ${\ce {AlBr3}}$ per ottenere ${\ce {Br^+}}$. La presenza di ${\ce {Br^+}}$ costituisce un elettrofilo molto migliore rispetto a ${\ce {Br2}}$ da solo. La bromurazione si ottiene con l'aiuto di ${\ce {AlBr3}}$ (catalizzatore acido di Lewis) poiché polarizza il legame Br-Br. Questa polarizzazione fa sì che gli atomi di bromo all'interno del legame Br-Br diventino più elettrofili. ${\ce {Br^+}}$ è un elettrofilo molto più efficace rispetto a ${\ce {Br2}}$ da solo e può quindi reagire con il benzene.

Poiché il bromo è diventato più elettrofilo dopo l'attivazione da parte di un catalizzatore, si verifica un attacco elettrofilo da parte del benzene al bromo terminale del complesso ${\ce {Br-Br-AlBr3}}$. Ciò permette all'altro atomo di bromo di andarsene con l'${\ce {AlBr3}}$ come un buon gruppo uscente, ${\ce {AlBr4^-}}$.

Dopo l'attacco elettrofilo del bromuro al benzene, l'idrogeno sullo stesso carbonio del bromo viene sostituito, risolvendo il carbocatione formatosi dall'attacco. Ecco perché si tratta di una SOSTITUZIONE elettrofila aromatica. Poiché il sottoprodotto tetrabromuro di alluminio è un nucleofilo forte, strappa un protone dall'idrogeno legato allo stesso carbonio del bromo.

Alla fine, l'${\ce {AlBr3}}$ non viene consumato dalla reazione e viene rigenerato. Esso funge da catalizzatore nell'alogenazione dei benzeni.

Energie di Dissociazione degli Alogeni e loro Effetto sull'Alogenazione dei Benzeni

La bromurazione elettrofila dei benzeni è una reazione esotermica. Considerando le velocità esotermiche dell'alogenazione aromatica, queste diminuiscono scendendo lungo il gruppo degli alogeni nella tavola periodica. La fluorurazione è la più esotermica e la iodurazione la meno. Essendo così esotermica, una reazione del fluoro con il benzene è esplosiva! Per lo iodio, la iodurazione elettrofila è generalmente endotermica, quindi una reazione spesso non è possibile. Analogamente al bromuro, la clorurazione richiede l'ausilio di un attivatore come il cloruro di alluminio o il cloruro ferrico. Il meccanismo di questa reazione è lo stesso della bromurazione del benzene.

Nitrazione del Benzene

La nitrazione e la solfonazione del benzene sono due esempi di sostituzione elettrofila aromatica. Lo ione nitronio (${\ce {NO2^+}}$) e il triossido di zolfo (${\ce {SO3}}$) sono gli elettrofili e reagiscono individualmente con il benzene per dare rispettivamente nitrobenzene e acido benzensolfonico.

La fonte dello ione nitronio è la protonazione dell'acido nitrico da parte dell'acido solforico, che causa la perdita di una molecola d'acqua e la formazione di uno ione nitronio.

Nitration of Benzene

Attivazione dell'Acido Nitrico da parte dell'Acido Solforico

Il primo passo nella nitrazione del benzene è attivare l'${\ce {HNO3}}$ con acido solforico per produrre un elettrofilo più forte, lo ione nitronio.

Activation of nitricacid

Poiché lo ione nitronio è un buon elettrofilo, viene attaccato dal benzene per produrre il nitrobenzene.

Meccanismo

Mechanism of aromatic nitration

(Le forme di risonanza dell'intermedio possono essere viste nel meccanismo generale della sostituzione elettrofila aromatica)

Solfonazione del Benzene

La solfonazione è una reazione reversibile che produce acido benzensolfonico aggiungendo triossido di zolfo e acido solforico fumante. La reazione viene invertita aggiungendo acido acquoso caldo all'acido benzensolfonico per riottenere il benzene.

Sulfonation of benzene

Meccanismo

Per produrre acido benzensolfonico dal benzene, si aggiungono acido solforico fumante e triossido di zolfo. L'acido solforico fumante, noto anche come oleum, è una soluzione concentrata di triossido di zolfo disciolto in acido solforico. Lo zolfo nel triossido di zolfo è elettrofilo perché gli atomi di ossigeno, molto elettronegativi, attirano elettroni da esso. Il benzene attacca lo zolfo (e avvengono successivi trasferimenti protonici) per produrre l'acido benzensolfonico.

Mechanismofaromaticsulfonation

Solfonazione Inversa

La solfonazione del benzene è una reazione reversibile. Il triossido di zolfo reagisce prontamente con l'acqua per produrre acido solforico e calore. Pertanto, riscaldando l'acido benzensolfonico in acido solforico acquoso diluito, la reazione viene invertita.

Reverse sulfonation

Ulteriori Applicazioni della Nitrazione e della Solfonazione

La nitrazione viene utilizzata per aggiungere azoto a un anello benzenico, che può essere ulteriormente impiegato in reazioni di sostituzione. Il gruppo nitro agisce come un disattivante dell'anello. Avere azoto presente in un anello è molto utile perché può essere usato come gruppo orientante e come gruppo amminico mascherato. I prodotti delle nitrazioni aromatiche sono intermedi molto importanti nella chimica industriale.

Poiché la solfonazione è una reazione reversibile, può essere utilizzata in ulteriori reazioni di sostituzione sotto forma di gruppo bloccante orientante, in quanto può essere facilmente rimosso. Il gruppo solfonico impedisce al carbonio di essere attaccato da altri sostituenti e, una volta completata la reazione desiderata, può essere rimosso tramite solfonazione inversa. Gli acidi benzensolfonici sono anche utilizzati nella sintesi di detergenti, coloranti e sulfamidici. Il cloruro di benzensolfonile è un precursore delle solfonammidi, utilizzate in chemioterapia.

Esercizi

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

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: scrivere l'equazione per la preparazione di un alchilbenzene tramite una reazione di alchilazione di Friedel-Crafts. identificare il prodotto formato dall'alchilazione di Friedel-Crafts di un dato composto aromatico. identificare il composto aromatico necessario per preparare un dato arene tramite un'alchilazione di Friedel-Crafts. identificare l'alogenuro alchilico e il catalizzatore necessari per formare uno specifico arene da un dato composto aromatico. scrivere il meccanismo dettagliato della reazione di alchilazione di Friedel-Crafts e identificare le somiglianze tra questa reazione e le reazioni di sostituzione elettrofila aromatica studiate nelle Sezioni 16.1 e 16.2. mostrare come gli alogenuri alchilici e gli alogenuri acilici possano essere usati come agenti alchilanti nelle reazioni di alchilazione di Friedel-Crafts. discutere le limitazioni della reazione di alchilazione di Friedel-Crafts, prestando particolare attenzione alla struttura dell'alogenuro alchilico, alla struttura del substrato aromatico e al problema della polialchilazione. scrivere un'equazione per una tipica acilazione di Friedel-Crafts. scrivere il meccanismo dettagliato della reazione di acilazione di Friedel-Crafts. identificare il prodotto formato dall'acilazione di Friedel-Crafts di un dato composto aromatico. identificare il composto aromatico, il reagente e il catalizzatore necessari per preparare un dato chetone attraverso una reazione di acilazione di Friedel-Crafts. Spiegare le seguenti leggi all'interno della Legge dei Gas Ideali.
Parole chiave	gruppo acilico reazione di acilazione di Friedel-Crafts reazione di alchilazione di Friedel-Crafts polialchilazione
Note di studio	Una reazione di alchilazione di Friedel-Crafts è una reazione di sostituzione elettrofila aromatica in cui un carbocatione viene attaccato da un legame pi di un anello aromatico, con il risultato netto che uno dei protoni aromatici viene sostituito da un gruppo alchilico. Se preferisci, puoi considerare queste reazioni come un attacco da parte di un anello aromatico su un carbocatione. Quest'ultimo approccio è quello utilizzato nel libro di testo, ma il primo è probabilmente più comune. Quando più di un gruppo alchilico viene introdotto in un anello aromatico nel corso di una reazione di alchilazione di Friedel-Crafts, si dice che si è verificata una polialchilazione. Le quattro limitazioni all'uso delle alchilazioni di Friedel-Crafts sono le seguenti: gli alogenuri vinilici e arilici non possono essere utilizzati per formare carbocationi. il substrato aromatico non deve contenere un gruppo o gruppi fortemente disattivanti, come ${\ce {NH2}}$, ${\ce {NHR}}$ o ${\ce {NR2}}$, che formano complessi con il catalizzatore acido di Lewis e, così facendo, diventano fortemente disattivanti. la polialchilazione, che può essere superata utilizzando un grande eccesso del substrato aromatico. possono verificarsi riarrangiamenti del carbocatione in qualsiasi reazione che coinvolga un carbocatione. La reazione di un substrato aromatico con un cloruro acilico (o un'anidride acida) in presenza di un catalizzatore di cloruro di alluminio è utilizzata per introdurre un gruppo acilico (${\ce {C=O}}$) nell'anello aromatico attraverso un meccanismo di sostituzione elettrofila aromatica. Tali reazioni sono le reazioni di acilazione di Friedel-Crafts.

Alchilazione di Friedel-Crafts

L'Alchilazione di Friedel-Crafts fu scoperta per la prima volta dallo scienziato francese Charles Friedel e dal suo partner, lo scienziato americano James Crafts, nel 1877. Questa reazione permise la formazione di alchilbenzeni da alogenuri alchilici, ma era afflitta da reazioni secondarie indesiderate che ne riducevano l'efficacia.

chimica organica

Meccanismo

Il meccanismo si svolge come segue:

Passaggio 1: Il primo passaggio crea un carbocatione che agisce come elettrofilo nella reazione. Questo passaggio attiva l'aloalcano. Gli alogenuri secondari e terziari formano solo il carbocatione libero in questo passaggio.

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Passaggi 2 e 3: Nel passaggio 2, una coppia di elettroni dell'anello aromatico attacca il carbocatione formando un nuovo legame C-C. Si forma l'intermedio ione arenio, stabilizzato da molteplici forme di risonanza. La perdita di un protone dà quindi il prodotto di sostituzione alchilato neutro.

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Prodotto finale

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La reattività degli aloalcani aumenta salendo lungo la tavola periodica e con l'aumentare della polarità. Ciò significa che un aloalcano RF è il più reattivo, seguito da RCl, poi RBr e infine RI. Questo implica che gli acidi di Lewis usati come catalizzatori nelle reazioni di Alchilazione di Friedel-Crafts tendono ad avere combinazioni di alogeni simili, come ${\ce {BF3}}$, ${\ce {SbCl5}}$, ${\ce {AlCl3}}$, e ${\ce {AlBr3}}$, tutti comunemente usati in queste reazioni.

Limitazioni dell'Alchilazione di Friedel-Crafts

Ci sono possibilità di riarrangiamenti del carbocatione quando si cerca di aggiungere una catena di carbonio più lunga di due atomi. I riarrangiamenti avvengono a causa di spostamenti di idruro e spostamenti di metile. Ad esempio, il prodotto di un'Alchilazione di Friedel-Crafts mostrerà un riarrangiamento a iso-propilbenzene quando si tenta di aggiungere una catena di tre atomi di carbonio come sostituente. Un modo per risolvere questi problemi è attraverso l'Acilazione di Friedel-Crafts.

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Inoltre, la reazione funzionerà solo se l'anello a cui si sta aggiungendo un sostituente non è disattivato. Le reazioni di Friedel-Crafts falliscono quando vengono utilizzate con composti come il nitrobenzene e altri sistemi fortemente disattivanti.

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Le reazioni di Friedel-Crafts non possono essere eseguite quando l'anello aromatico contiene un sostituente ${\ce {NH2}}$, ${\ce {NHR}}$ o ${\ce {NR2}}$. La coppia di elettroni solitari sulle ammine reagisce con l'acido di Lewis ${\ce {AlCl3}}$. Questo pone una carica positiva adiacente all'anello benzenico, che è così fortemente disattivante che la reazione di Friedel-Crafts non può avvenire.

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Infine, l'alchilazione di Friedel-Crafts può subire polialchilazione. La reazione aggiunge un gruppo alchilico elettron-donatore, che attiva l'anello benzenico a ulteriori alchilazioni.

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Questo problema non si verifica durante l'Acilazione di Friedel-Crafts perché un gruppo acilico è disattivante, prevenendo così ulteriori acilazioni.

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Acilazione di Friedel-Crafts

L'obiettivo della reazione è introdurre un gruppo acilico su un anello aromatico.

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Primo passaggio: Il primissimo passaggio comporta la formazione dello ione acilio, che reagirà successivamente con il benzene.

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Secondo passaggio: Il secondo passaggio comporta l'attacco dello ione acilio sul benzene, che agisce come un nuovo elettrofilo, per formare un complesso intermedio (ione arenio).

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Terzo passaggio: Il terzo passaggio comporta la perdita del protone per ripristinare l'aromaticità.

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Durante questo passaggio, lo ione ${\ce {AlCl4^-}}$ ritorna per rimuovere un protone dall'anello benzenico. In questo modo, il catalizzatore originale ${\ce {AlCl3}}$ viene rigenerato, insieme a ${\ce {HCl}}$. Soprattutto, otteniamo la prima parte del prodotto finale della reazione, che è un chetone complessato con il cloruro di alluminio.

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Ultimo passaggio: Il passaggio finale comporta l'aggiunta di acqua per liberare il prodotto finale, l'acilbenzene (un chetone).

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Poiché lo ione acilio (come mostrato nel primo passaggio) è stabilizzato per risonanza, non si verificano riarrangiamenti (a differenza delle reazioni di Alchilazione di Friedel-Crafts - vedi Limitazione 1 sopra). Inoltre, a causa della disattivazione del prodotto, esso non è più suscettibile a ulteriori attacchi elettrofili e quindi non subisce ulteriori reazioni (Limitazione 3 dell'Alchilazione di Friedel-Crafts). Tuttavia, non tutto è perfetto: la Limitazione 2 prevale ancora, e l'Acilazione di Friedel-Crafts fallisce con anelli fortemente disattivati.

Esercizi

Effetti sostituenti negli anelli aromatici sostituiti

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: descrivere i due modi in cui un sostituente influenza la sostituzione elettrofila di un composto aromatico monosostituito. classificare ciascuno dei seguenti sostituenti come attivante o disattivante rispetto alla sostituzione elettrofila aromatica: ${\ce {-NH2}}$, ${\ce {-OH}}$, ${\ce {-NHR}}$, ${\ce {-NR2}}$, ${\ce {-OR}}$, ${\ce {-NHCOR}}$, alchile (R), fenile, ${\ce {R3N^+}}$, ${\ce {-NO2}}$, ${\ce {-CN}}$, ${\ce {-COR}}$, ${\ce {-CO2H}}$, ${\ce {-CO2R}}$, ${\ce {-CHO}}$, alogeni. elencare una data serie di sostituenti (selezionati tra quelli dell'Obiettivo 2) in ordine di capacità crescente o decrescente di attivare o disattivare un anello aromatico rispetto alla sostituzione elettrofila. spiegare, in termini generali, i fattori che determinano se un dato sostituente attiverà o disattiverà un anello aromatico rispetto alla sostituzione elettrofila. elencare una data serie di composti aromatici in ordine di reattività crescente o decrescente rispetto alla sostituzione elettrofila. spiegare gli effetti induttivi mostrati da sostituenti come nitro, carbossile, alchile e gli alogeni durante le reazioni di sostituzione elettrofila aromatica. spiegare gli effetti di risonanza mostrati da sostituenti come nitro, gruppi contenenti carbonili, idrossi, alcossi e ammino durante le reazioni di sostituzione elettrofila aromatica.
Parole chiave	effetto induttivo effetto di risonanza
Note di studio	Leggendo l'Obiettivo 2, gli studenti potrebbero esclamare: "Come farò mai a memorizzare tutta questa roba!" — o parole simili. La risposta è che se state cercando di memorizzare queste cose, state adottando l'approccio sbagliato alla chimica organica. Ciò che dovreste fare è cercare di comprendere i fattori che determinano se un dato sostituente attiverà o disattiverà un anello benzenico rispetto alla sostituzione elettrofila. Potreste voler ripassare il materiale precedente sull'effetto induttivo. In tal caso, fate riferimento alle Sezioni 2.1, 7.9 (prestando particolare attenzione alle "Note di studio") e 14.5. Notate che un'argomentazione talvolta usata per spiegare la capacità dei gruppi alchilici di donare elettroni induttivamente a un anello aromatico è che gli atomi di carbonio ibridati sp² sono più elettronegativi degli atomi di carbonio ibridati sp³. Pertanto, un legame sigma tra un carbonio sp² e uno sp³ è leggermente polarizzato, come segue:

Effetti dei Sostituenti sulla Reattività

Quando i composti benzenici sostituiti subiscono reazioni di sostituzione elettrofila del tipo discusso in precedenza, devono essere considerate due caratteristiche correlate:

1. La reattività relativa del composto rispetto al benzene stesso. Gli esperimenti hanno dimostrato che i sostituenti su un anello benzenico possono influenzare la reattività in modo profondo. Ad esempio, un sostituente idrossi o metossi aumenta la velocità della sostituzione elettrofila di circa diecimila volte. Al contrario, un sostituente nitro diminuisce la reattività dell'anello di circa un milione di volte. Questa **attivazione** o **disattivazione** dell'anello benzenico verso la sostituzione elettrofila può essere correlata all'influenza elettron-donatrice o elettron-attrattrice dei sostituenti. Nel diagramma seguente, vediamo che i sostituenti elettron-donatori (dipoli blu) attivano l'anello benzenico verso l'attacco elettrofilo, mentre i sostituenti elettron-attrattori (dipoli rossi) disattivano l'anello (lo rendono meno reattivo all'attacco elettrofilo).

   

   activation or deactivation of the benzene ring

L'influenza che un sostituente esercita sulla reattività di un anello benzenico può essere spiegata dall'interazione di due effetti:

• L'effetto induttivo del sostituente. La maggior parte degli elementi, ad eccezione dei metalli e del carbonio, ha un'elettronegatività significativamente maggiore dell'idrogeno. Di conseguenza, i sostituenti in cui atomi di azoto, ossigeno e alogeni formano legami sigma con l'anello aromatico esercitano un'attrazione elettronica induttiva, che disattiva l'anello.
• L'effetto di risonanza (o di coniugazione). Questo effetto è il risultato della coniugazione di una funzione sostituente con l'anello aromatico. Questa interazione coniugativa facilita la donazione o l'attrazione di coppie di elettroni, da o verso l'anello benzenico, in un modo diverso dallo spostamento induttivo. Se l'atomo legato all'anello ha una o più coppie di elettroni di valenza non leganti (come azoto, ossigeno e alogeni), gli elettroni possono fluire nell'anello aromatico tramite coniugazione p-π (risonanza). Infine, doppi e tripli legami polari coniugati con l'anello benzenico possono attrarre elettroni. In entrambi i casi di risonanza, la distribuzione della carica nell'anello benzenico è maggiore nelle posizioni orto e para rispetto al sostituente.

Nel caso dei gruppi attivanti di azoto e ossigeno, la donazione di elettroni per risonanza domina sull'effetto induttivo e questi composti mostrano una reattività eccezionale nelle reazioni di sostituzione elettrofila. Sebbene gli atomi di alogeno abbiano coppie di elettroni di valenza non leganti che partecipano alla coniugazione p-π, il loro forte effetto induttivo predomina, e composti come il clorobenzene sono meno reattivi del benzene. I gruppi con doppi o tripli legami polari (come ${\ce {-NO2}}$ o ${\ce {-COR}}$) sono esempi di attrazione di elettroni per coniugazione, e in questi casi l'effetto induttivo rafforza ulteriormente la disattivazione dell'anello benzenico. I sostituenti alchilici come il metile aumentano la nucleofilia degli anelli aromatici allo stesso modo in cui agiscono sui doppi legami.

Una spiegazione degli effetti sostituenti

Obiettivi	Dopo aver completato questa sezione, dovresti essere in grado di: disegnare i contributori di risonanza per l'intermedio carbocationico formato durante la reazione di un dato derivato benzenico monosostituito con uno qualsiasi degli elettrofili discussi in questo capitolo. classificare ciascuno dei sostituenti elencati nell'Obiettivo 2 della Sezione 16.4 come orientante meta o orto/para. classificare ciascuno dei sostituenti elencati nell'Obiettivo 2 della Sezione 16.4 come attivante orientante orto/para, disattivante orientante orto/para, o disattivante orientante meta. predire il prodotto o i prodotti formati dalla reazione di un dato derivato benzenico monosostituito con ciascuno degli elettrofili discussi in questo capitolo. spiegare, disegnando i contributori di risonanza per l'intermedio carbocationico, perché la sostituzione elettrofila di un alchilbenzene risulta in una miscela di prodotti principalmente orto- e para-sostituiti. spiegare perché la sostituzione elettrofila di fenoli, ammine e loro derivati procede più rapidamente della sostituzione elettrofila del benzene stesso. spiegare, disegnando i contributori di risonanza per l'intermedio carbocationico, perché la sostituzione in meta predomina nelle reazioni di sostituzione elettrofila aromatica condotte su derivati benzenici contenenti uno dei sostituenti ${\ce {R3N^+}}$, ${\ce {NO2}}$, ${\ce {CO2H}}$, ${\ce {CN}}$, ${\ce {CO2R}}$, ${\ce {COR}}$ o ${\ce {CHO}}$. spiegare perché la sostituzione elettrofila aromatica di derivati benzenici contenenti uno dei sostituenti elencati nell'Obiettivo 7, sopra, procede più lentamente della sostituzione elettrofila del benzene stesso. spiegare, disegnando i contributori di risonanza per l'intermedio carbocationico, perché la sostituzione elettrofila aromatica degli alogenobenzeni produce una miscela di prodotti principalmente orto- e para-sostituiti. spiegare perché la sostituzione elettrofila aromatica degli alogenobenzeni procede più lentamente di quella del benzene stesso. usare i principi sviluppati in questo capitolo per predire in quale delle tre categorie elencate nell'Obiettivo 3, sopra, dovrebbe essere inserito un sostituente mai incontrato prima.
Parole chiave	effetto sterico ingombro sterico
Note di studio	Come hai visto nella Sezione 16.4, un sostituente su un anello benzenico può essere un attivante o un disattivante. Allo stesso tempo, un sostituente può anche essere un orientante in meta o un orientante in orto/para. Delle quattro combinazioni possibili, solo tre sono note — non esistono attivanti che orientano in meta. Se osservi i dati per la nitrazione del toluene, vedrai che la resa di o-nitrotoluene è del 63% e quella di p-nitrotoluene è del 34%. Statisticamente, dovremmo aspettarci di ottenere il doppio del prodotto orto rispetto al prodotto para, perché il primo è prodotto dall'attacco a uno dei due atomi di carbonio disponibili, mentre il secondo è prodotto dall'attacco a un solo atomo di carbonio (vedi Figura sotto). Proportions of o‑nitrotoluene and p‑nitrotoluene produced by the nitration of toluene In questo caso, il rapporto orto/para osservato è quasi 2:1, come ci si potrebbe aspettare. Tuttavia, se studiamo il rapporto orto/para trovato nella nitrazione di altri areni, vediamo che non è sempre così. Nota che i dati per la nitrazione del toluene forniti nella tabella sottostante differiscono da quelli presentati altrove. La variazione può derivare da una differenza di temperatura, condizioni di reazione o reagente, e sottolinea il punto che sono le tendenze ad essere importanti, non i numeri stessi. Tabella 1: Nitrazione degli Areni Substrato % orto % para rapporto orto/para Toluene 58 37 1.57:1 Etilbenzene 45 49 0.92:1 Isopropilbenzene 30 62 0.48:1 tert-butilbenzene 16 73 0.22:1 La tabella sopra ci mostra che all'aumentare delle dimensioni del sostituente alchilico già presente sull'anello, l'attacco in posizione orto diventa più difficile, e la percentuale di isomeri orto nella miscela di prodotti diminuisce. Questo è un esempio di un effetto sterico — un effetto causato dalle dimensioni del sostituente — e diremmo che all'aumentare delle dimensioni del gruppo alchilico, l'attacco in posizione orto diventa meno favorevole a causa dell' ingombro sterico. Nota che anche le dimensioni dell'elettrofilo possono essere un fattore nel determinare il rapporto orto/para: più grande è l'elettrofilo, meno è in grado di attaccare in posizione orto, specialmente se il sostituente già presente sull'anello è a sua volta piuttosto ingombrante. Quando disegni i contributori di risonanza per il carbocatione formato durante una sostituzione elettrofila aromatica, tieni presente che quelli del tipo in cui la carica positiva è adiacente a un eteroatomo con doppietti non condivisi sono particolarmente importanti, the resonance contributors to the carbocation formed during an electrophilic aromatic substitution perché in tali strutture ogni atomo possiede un ottetto completo di elettroni. Nota che, come i gruppi idrossile e amminico, gli alogeni hanno un effetto induttivo elettron-attrattore e un effetto di risonanza elettron-donatore su un anello benzenico. La differenza di comportamento durante le sostituzioni elettrofile sorge perché, con i gruppi idrossile e amminico, l'effetto di risonanza è molto più forte dell'effetto induttivo, mentre con gli alogeni c'è un equilibrio molto più sottile. Nel caso di questi ultimi, l'effetto induttivo riduce la reattività complessiva, ma l'effetto di risonanza fa sì che questa riduzione sia sentita meno nelle posizioni orto e para rispetto alla posizione meta.

Classificazione dei Sostituenti

Gli anelli sostituiti sono divisi in due gruppi in base al tipo di sostituente che l'anello porta:

• Anelli attivati: i sostituenti sull'anello sono gruppi elettron-donatori.
• Anelli disattivati: i sostituenti sull'anello sono gruppi elettron-attrattori.

Gruppi Attivanti

Esempi di gruppi attivanti in ordine relativo dal più attivante al meno attivante: ${\ce {-NH2}}$, ${\ce {-NR2}}$ > ${\ce {-OH}}$, ${\ce {-OR}}$ > ${\ce {-NHCOR}}$ > ${\ce {-CH3}}$ e altri gruppi alchilici (con R come gruppi alchilici, ${\ce {C_nH_{2n+1}}}$)

Gruppi Disattivanti

Esempi di gruppi disattivanti in ordine relativo dal più disattivante al meno disattivante: ${\ce {-NO2}}$, ${\ce {-CF3}}$ > ${\ce {-COR}}$, ${\ce {-CN}}$, ${\ce {-CO2R}}$, ${\ce {-SO3H}}$ > Alogeni (con R come gruppi alchilici, ${\ce {C_nH_{2n+1}}}$)

L'ordine di reattività tra gli Alogeni dal più reattivo (sostituente meno disattivante) al meno reattivo (sostituente più disattivante) è: ${\ce {F > Cl > Br > I}}$ L'ordine di reattività degli anelli benzenici verso la sostituzione elettrofila quando sono sostituiti con un alogeno segue l'ordine di elettronegatività. L'anello sostituito con l'alogeno più elettronegativo è l'anello più reattivo (sostituente meno disattivante).

Effetto Orientante e Reattività

L'effetto orientante della reazione

I gruppi attivanti orientano la reazione verso le posizioni orto o para. I gruppi disattivanti orientano la reazione verso la posizione meta, con l'eccezione degli alogeni, che sono disattivanti ma orientano la sostituzione in orto e para.

Attivanti e alogeni	Disattivanti
activating group directs the reaction to the ortho or para position

Meccanismi dell'effetto orientante

I sostituenti determinano l'orientamento della reazione tramite l'effetto di risonanza o l'effetto induttivo.

• Effetto di risonanza: la coniugazione tra l'anello e il sostituente, che delocalizza gli elettroni π.
• Effetto induttivo: l'attrazione degli elettroni del legame sigma dall'anello verso il sostituente, a causa della maggiore elettronegatività del sostituente.

Gruppi attivanti (orientanti orto-para) Quando sostituenti come ${\ce {-OH}}$ hanno una coppia di elettroni non condivisa, l'effetto di risonanza (donazione di elettroni all'anello) è più forte dell'effetto induttivo (attrazione di elettroni), rendendo questi sostituenti degli attivanti. La densità elettronica extra viene localizzata sui carboni in orto e para, rendendo queste posizioni più reattive verso l'elettrofilo e stabilizzando l'intermedio carbocationico (ione arenio). Anche i gruppi alchilici attivano e orientano in orto/para tramite effetto induttivo.

Activating groups (ortho or para directors)

Gruppi disattivanti (orientanti meta) I gruppi disattivanti (es. ${\ce {-NO2}}$) attraggono densità elettronica dall'anello tramite effetto induttivo e di risonanza. Questo rende le posizioni orto e para parzialmente positive e quindi sfavorevoli all'attacco di un elettrofilo. Di conseguenza, l'elettrofilo attacca le posizioni meta, che sono relativamente meno povere di elettroni.

Deactivating group (meta directors)

Alogeni (disattivanti, ma orientanti orto-para) Gli alogeni sono un caso speciale. Disattivano l'anello tramite un forte effetto induttivo elettron-attrattore. Tuttavia, possiedono anche doppietti non condivisi che possono donare per risonanza. Questo effetto di risonanza, sebbene più debole di quello induttivo, è sufficiente a stabilizzare gli intermedi degli attacchi in orto e para rispetto all'attacco in meta, dirigendo quindi la sostituzione in quelle posizioni.

Effetto dei sostituenti sulla velocità di reazione

La reazione di un anello sostituito con un gruppo attivante è più veloce della stessa reazione con il benzene. Al contrario, un anello sostituito con un gruppo disattivante reagisce più lentamente del benzene.

I gruppi attivanti aumentano la densità elettronica sull'anello, stabilizzando l'intermedio carbocationico e abbassando l'energia di attivazione. I gruppi disattivanti, invece, ritirano densità elettronica, destabilizzando l'intermedio e aumentando l'energia di attivazione.

Il gruppo ${\ce {-CH3}}$ è un orientante orto-para

I gruppi alchilici sono elettron-donatori per effetto induttivo, pertanto sono attivanti. Questo fa sì che l'attacco in orto o para porti alla formazione di un carbocatione arenio terziario, che è più stabile, accelerando la reazione per queste posizioni.

Alkyl groups are inductively donating, therefore are activators

Alkyl groups are inductively donating, therefore are activators-2

Alkyl groups are inductively donating, therefore are activators - para

Il gruppo ${\ce {-OCH3}}$ è un orientante orto-para

O-CH3 Group is an ortho, para director

Il gruppo metossi è un esempio di gruppo che orienta in orto-para grazie alla presenza di un atomo di ossigeno o azoto adiacente all'anello aromatico. Questa stessa attivazione è presente con alcoli, ammine, esteri e ammidi (quando l'ossigeno o l'azoto è legato direttamente all'anello, non il carbonile).

I gruppi con un ossigeno o un azoto legato all'anello aromatico sono orientanti orto e para poiché l'O o l'N possono donare elettroni all'anello tramite risonanza, rendendo le posizioni orto e para più reattive e stabilizzando lo ione arenio che si forma. Questo fa sì che i prodotti orto e para si formino più velocemente del meta. Generalmente, il prodotto para è favorito a causa di minori effetti sterici.

Groups with an oxygen or nitrogen attached to the aromatic ring are ortho and para directors

Groups with an oxygen or nitrogen attached to the aromatic ring are ortho and para directors 2

Groups with an oxygen or nitrogen attached to the aromatic ring are ortho and para directors 3

I gruppi acilici sono orientanti meta

Acyl groups are meta directors

I chetoni sono un esempio di gruppi che disattivano un anello aromatico tramite risonanza. Una disattivazione simile si verifica anche con ioni ammonio, gruppi nitro, aldeidi, nitrili, acidi solfonici e gruppi con un carbonile legato all'anello (ammidi, esteri, acidi carbossilici e anidridi).

I gruppi acilici sono disattivanti per risonanza. L'attacco in orto e para produce una struttura di risonanza che pone la carica positiva dello ione arenio adiacente a un carbonio parzialmente positivo (quello del carbonile). Questa repulsione destabilizza fortemente l'intermedio e rallenta la reazione in orto e para. Di conseguenza, il prodotto meta si forma più velocemente perché il suo intermedio non presenta questa struttura particolarmente instabile.

Acyl groups are resonance deactivators 1

Acyl groups are resonance deactivators 2

Acyl groups are resonance deactivators 3

Alogeni

Gli alogeni rappresentano un interessante caso ibrido. Sono orientanti orto-para, ma sono disattivanti. Complessivamente, essi sottraggono densità elettronica dall'anello a causa del loro forte effetto induttivo, rendendolo meno reattivo. Tuttavia, grazie alla loro capacità di donare elettroni per risonanza, se l'anello reagisce, lo fa principalmente nelle posizioni orto e para, dove l'intermedio è maggiormente stabilizzato.

Esercizi

Fonti

https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Organic_Chemistry/Organic_Chemistry_(Morsch_et_al.)/16%3A_Chemistry_of_Benzene_-_Electrophilic_Aromatic_Substitution