Ароматические соединения

1. Ароматические соединения

• Слово ароматические использовалось в начале 19 века
для описания ряда пахнущих соединений.
• В дальнейшем они были классифицированы по их химическим
свойствам (ненасыщенные соединения, которые в ступают в
реакции замещения, а не присоединения).
• В настоящее время: отличаются от алифатических
соединений по их электронной конфигурации.
• По ИЮПАК бензол и его производные называются арены.

2. Природные ароматические соединения

Правило Хюккеля
• Ароматическими являются плоские, полностью сопряжённые
циклические системы, содержащие (4n+2) π-электронов,
имеющие замкнутую электронную оболочку, все электроны
которой находятся на связывающих орбиталях. Такие системы
обладают повышенной стабильностью.
• Подобные системы, содержащие 4n электронов, можно назвать
антиароматическими. Очень нестабильны.
Современные критерии ароматичности:
1) Энергетический
(наличие
энергии
резонанса)
2) Структурный (одинаковые или близкие
к
таковым
длины
связей,
промежуточные по длине между
одинарными и двойными)
3) Магнитный (наличие кольцевого тока
электронов,
взаимодействующего
с
внешним магнитным полем)

3. Синтетические ароматические соединения в медицине

Ароматическая молекула должна быт плоской!
• Все p-орбитали должны быть ориентированы параллельно,
чтобы максимально перекрываться и делокализировать
электроны.
геометрия ванны
• Так как циклооктатетраен неплоский, то он не ароматичный, и
вступает в реакции присоединения, как обычные алкены.

4.

Молекула должна быть полностью сопряжённой
• Ароматические
соединения
должны
иметь
негибридизованную р орбиталь на каждом атоме в цикле.
полностью сопряжённый цикл
Эти циклы не полностью сопряжены

5.

Химические критерии
ароматичности
1. Термическая устойчивость
2. Нет склонности к окислению
3. Склонность к реакциям замещения

6.

Полициклические ароматические системы
Длины связей в нафталине
Антрацен
Фенантрен
Кекулен

7.

Небензоидные ароматические системы
циклопентадиенил-анион
циклопропенил-катион
циклогептриенил-катион
циклооктатетраен-дианион циклооктатетраен-дикатион

8.

• Резонансный гибрид показывает, что все пять
атомов углерода в циклопентадиенильном
анионе эквивалентны.
• Каждый атом углерода несёт одну пятую
отрицательного заряда аниона.

9.

Тропилиевый ион
• Циклогептатриенильный катион имеет 6 p
электронов и пустую p орбиталь.
• Каждый атом углерода несёт одну седьмую
положительного заряда катиона.
charge equally
distributed

10.

Гетероароматические системы
• Больше половины известных органических соединений являются
гетероциклическими (ароматическими или не ароматическими).
• Если гетероатом имеет π-связь, то его неподелённая пара не
участвует в ароматической системе (например, пиридин).
• Если гетероатом не имеет π-связи, то его неподелённая пара может
участвовать в ароматической системе (например, пиррол).

11.

Антиароматические соединения
оксирен 1Н-азирен
1.567 Å
=
1.346 Å
Геометрия на самом деле
прямоугольная
Не стабилен выше -240 °С
• Следуя правилу Хунда, два
электрона
находятся
на
отдельных орбиталях.
• Этот бирадикал является очень
реакционноспособным.

12.

Реакции
бензола
• Несмотря на то, что бензол сильно ненасыщен, он не
вступает в реакции характерные для алкенов.

13.

14.

Каталитическое гидрирование
• Требуется повышенная температура и давление.
• Возможные катализаторы: Pt, Pd, Ni, Ru, Rh.
• Восстановление не может быть остановлено на
промежуточной стадии.
CH
3
CH3
3 H2, 1000 psi
Ru, 100°C
CH3
CH3

15.

Восстановление по Бёрчу
• Бензол может восставливаться натрием со спиртом в
жидком аммиаке и превращаться в 1,4-циклогексадиен.

16.

Механизм реакции Бёрча

17.

Восстановление по Бёрчу
• Поскольку «нуклеофил» представляет собой свободные
электроны, реакция идет быстрее в ароматических кольцах с
электроноакцепторными
заместителями
и
медленнее
на
ароматических кольцах с электронодонорными заместителями.
• Электроноакцепторные заместители и электронодонорные
заместители
также
дают
разные
продукты.
С
электроноакцепторными
группами
протонируется
углерод,
соединенный
с
электроноакцепторной
группой.
С
электронодонорными группами протонируется углерод, соседний с
углеродом, несущим донорную группу («орто» для донорной).

18. Тропилиевый ион

Другие реакции с нарушением ароматичности
Если пропускать газообразный хлор через горячий бензол,
подвергающийся воздействию ультрафиолетового излучения в течение
часа, образуется 1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан. Бром будет вести себя
аналогично.
1,2,3,4,5,6-гексахлорциклогексан (линдан) - эффективный инсектицид,
который широко применялся до 2009 г. в сельском хозяйстве для борьбы с
паразитами животных.
• При
высоких
температурах
бензол
может быть окислен
воздухом с помощью
катализатора на основе
пентаоксида ванадия до
малеинового ангидрида.
• Нафталин может быть
аналогичным
образом
окислен до фталевого
ангидрида.
малеиновый ангидрид
фталевый ангидрид

19.

Ароматическое электрофильное замещение
Бензол это нуклеофил, который реагирует с электрофилами.
Электрофильное замещение даёт ароматический продукт,
который значительно более стабилен, чем продукт реакции
присоединения.
Электрофильное замещение
в аренах протекает через
карбкатион.

20.

Реакции электрофильного
ароматического замещения
галогенирование
нитрование
сульфирование
ацилирование
алкилирование

21.

Общий
механизм
ароматического
электрофильного замещения: интермедиат
– аренониевый ион
• Бензол (или другой арен) реагирует с электрофилом, используя
два своих π-электрона.
• Этот первый шаг (этап 1) аналогичен присоединению к обычной
двойной связи. Образуется аренониевый ион (карбкатион). Ион
стабилизируется резонансом, который делокализует заряд.
• В отличие от реакции присоединения алкенов, бензольное кольцо
реагирует дальше, так как оно может регенерировать очень
стабильную ароматическую систему.
• На этапе 2, протон бензольного кольца отщепляется и
восстанавливается ароматичность системы.

22.

Влияние заместителей на ароматическое
электрофильное замещение
• Есть две важные характеристики заместителей в бензоле.
• I Ориентация при замещении: Некоторые заместители
направляют новые группы или атомы преимущественно в орто- и
пара-положения к себе; другие - в мета позиции.
• Таким образом заместители классифицируются как орто/параориентанты или мета-ориентанты.
• II Скорость реакции замещения: Некоторые заместители
приводят к тому, что скорость замещения превышает скорость
реакции самого бензола; другие приводят к снижению скорости
реакции.
• Заместители классифицируются как активирующие или
дезактивирующие для дальнейших реакций замещения.
Относительная
Скорость
нитрования

23.

Влияние заместителей на ароматическое
электрофильное замещение
Орто/параориентанты
Метаориентанты
Активирующие
группы
Дезактивирующие
группы
• Гидроксильная (OH);
• Алкокси (OR);
• Амино (NH2, NHR, NR2);
• Алкильная (CH3 и т.д.);
• Тио (SH, SR)
Не существуют
Галогены (F, Cl, Br, I)
• Нитро (NO2);
• Карбонильная (С=О);
• Сульфо (SO3H);
• СF3;
• Циано (CN)
• Карбоксильная

24. Реакции бензола

Природа влияния заместителей
на реакции аренов
• Эффект
заместителя
является
суммой
индуктивного и резонансного эффектов.
• Индуктивный эффект – увеличение или
уменьшение электронной плотности через σсвязи = полярные ковалентные связи.
• Резонансный эффект - увеличение или
уменьшение электронной плотности из-за
перекрытия p-орбитали заместителя с pорбиталями ароматического кольца.

25.

Резонансный эффект – акцепторы электронов
• Заместители C=O, C≡N, NO2 выводят электроны из
ароматического кольца посредством резонанса.
• π-электроны перемещаются из колец к заместителям.
• В таких заместителях есть двойная (или тройная) связь у
атома, связанного с кольцом!!

26. Каталитическое гидрирование

Резонансный эффект – доноры электронов
• Галоген, ОН, алкоксил (OR) и амино-заместители увеличивают
электронную плотность в кольце.
• π-электроны текут от заместителей к кольцу.
• Эффект наибольший в орто- и пара- положениях.
• В таких заместителях есть неподелённая электронная пара на
атоме, связанным с кольцом!!

27.

Влияние
заместителей на
скорость
электрофильного
замещения
• Активирующие группы
отдают
электроны
кольцу, стабилизируя
промежуточный
карбкатион.
• Дезактивирующие
группы
выводят
электроны из кольца,
дестабилизируя
промежуточный
карбкатион.

28. Механизм реакции Бёрча

Влияние заместителей на ориентацию
электрофильного замещения
• Заместитель, уже находящийся в кольце, определяет
положение в которое вступает новый (второй, далее
третий и т.д.) заместитель.

29.

Влияние заместителей на ориентацию
электрофильного замещения
• Все активирующие заместители являются
орто/пара-ориентантами.
• Это алкильные группы, OH, OR, NH2, NHR
группы.

30.

Влияние заместителей на ориентацию
электрофильного замещения
• Галогены – слабо дезактивирующие группы,
также являются орто/пара-ориентантами.

31.

Влияние заместителей на ориентацию
электрофильного замещения
• Все
заместители,
которые
дезактивируют
ароматическое кольцо сильнее, чем галогены, являются
мета-ориентантами.

32.

Орто/пара и мета ориентанты

33.

Правила ориентации при электрофильном аром.замещении
орто-пара-ориентанты
заместители "первого рода":алкил, арил, OH, OR, NH2, NR2 , NHCOR, галоген
X
X
E
E
H
Ph
H
E
E
H
H
мета-ориентанты
заместители "второго рода": CN, CO2H, CO2R, CHO, NO2, SO3H, NR3+
• При наличии более одного заместителя, обладающих разным и
несогласованным действием, направление реакции определяется
донорным заместителем.
В случае нескольких донорных
заместителей направление реакции определяется заместителем с
большим эффектом.
• Пара-замещение обычно преобладает над орто-замещением, и
тем в большей степени, чем больше объем заместителя и/или
электрофила (стерический фактор).

34.

Правила ориентации при электрофильном аром.замещении
• Если возможна атака двух или более позиций, предпочтительна
наименее стерически затрудненная.

35. Влияние заместителей на ароматическое электрофильное замещение

Галогенирование бензола
• Фторирование происходит так быстро, что трудно остановить
монофторирование кольца. Для этой реакции используются
специальные реагенты (например, selectfluor).
Selectfluor
• Хлорирование
и
бромирование
бензола
требует
присутствия
катализатора - кислоты
Льюиса.
• Йод настолько неактивен, что необходимо использовать сильный
окислитель для его превращения в катион:

36.

• Кислоты Льюиса ослабляют связь Br–Br (или
Cl–Cl),
что
делает
галоген
более
электрофильным.

37. Природа влияния заместителей на реакции аренов

Механизм бромирования бензола
B: Бромид-анион или бензол
Катализатор регенерируется:
© 2011 Pearson Education, Inc.

38. Индуктивный эффект

Нитрование бензола

39. Резонансный эффект – акцепторы электронов

Образование нитроний-катиона:
Ароматическое электрофильное замещение:

40. Резонансный эффект – доноры электронов

Нитрование толуола
• Толуол реагирует в 25 раз быстрее, чем бензол.
Метильная группа является активирующей
группой.
• Продуктами в основном являются орто- и паразамещённые молекулы.

41.

Сульфирование бензола

42. Влияние заместителей на скорость электрофильного замещения

• Сульфирование, в отличие от других реакций
электрофильного замещения, обратимо:
• Для сульфокислот возможно проведение ипсо-замещения
(замещение сульфогруппы на нитрогруппу):

43. Результат действия индуктивного и мезомерного эффектов

Сульфирование – метод блокирования пара положения
для селективного замещения по орто положению
• Обычное распределение продуктов замещения при наличии в
цикле орто/пара ориентанта – 60 на 40% (больше пара).
• Для замещения только по орто положению используют
заместители, которые можно обратимо установить на бензол (SO3H) и трет-бутильную группу.

44.

Алкилирование бензола
(реакция Фриделя-Крафтса)

45.

Алкилирование бензола
(реакция Фриделя-Крафтса)
• Недостаток
реакции:
катион
может
перегруппировываться в более стабильный.

46.

Алкилирование бензола
(реакция Фриделя-Крафтса)
• При
использовании
сильно
разветвлённых
галогеналканов преимущественно получается продукт
перегруппировки:

47.

Алкилирование можно проводить алкенами или
спиртами в присутствии кислот

48.

Ограничения реакции алкилирования
• Можно использовать только галогеналканы (F,Cl, I, Br).
Арилгалогениды и виниловые галогениды не реагируют (их
карбкатионы слишком нестабильны).
• Часто протекает полиалкилирование субстратов.
• Реакция не будет протекать с кольцами, содержащими
аминогруппу или сильную электроноакцепторную группу.

49.

Ацилирование по Фриделю-Крафтсу
• Реакция хлорангидридов кислот (RCOCl) или ангидридов и
ароматического кольца в присутствии AlCl3 вводит ацильную
группу –COR.
• Электрофилом является ацилий-катион:

50.

Механизм реакции ацилирования
• Аналогичен алкилированию.
• Электрофил: резонансно стабилизированный ацильный
катион.
• Ацильный катион не перегруппировывается!!
• Не протекает полизамещения, так как ацильная группа –
дезактивирует кольцо!!

51.

Задания
являются
соединения
• Укажите,
ароматическими,
антиароматическими или не ароматическими.

52.

• Пентален является неуловимой молекулой, которая была выделена
только в жидком азоте (-196 °С). Дианион пенталена, однако,
хорошо известен и довольно стабилен. Объясните почему?
• Индол является гетероциклом, содержащим
бензольное и пиррольное кольцо. Он встречается в
человеческом кале и имеет неприятный запах.
Однако при очень низких концентрациях он имеет
цветочный запах и является составной частью
многих цветочных ароматов (например, цветов
апельсина)
духов.
Является
ли
индол
ароматическим соединением?

53.

• Укажите, являются ли пиримидиновые и пуриновые
основания, входящие в состав ДНК, ароматическими?

54.

• Назовите соединения:

55.

• Когда следующее соединение обрабатывают Br2 в присутствии
кислоты Льюиса преобладает один продукт. Нарисуйте его
структуру.

56.

• Предскажите структуру продукта/продуктов мононитрования для
нарисованных соединений:
• Предскажите
структуру
продукта
алкилирования
a)
изопропилбензола с помощью 3-хлор-2,2-диметилбутана и хлорида
алюминия (III), b) трет-бутилбензола с помощью 2-метилпропена и
HF.

57.

• Какое из соединений наименее активно в условия реакции
Фриделя – Крафтса?

58.

• Какой продукт будет получен в результате реакции алкилирования
Фриделя-Крафтса?

59.

• Напишите продукты реакций.

60. Нитрование толуола

• Предскажите
в
соединениях
электрофильного замещения?
реакционный
центр
для

61.

• Какова структура продукта реакций?

62.

• Для каждой из следующих групп соединений определите, какие
соединение будет реагировать наиболее быстро с этилхлоридом в
присутствии трихлорида алюминия и предскажите ожидаемые
продукты реакции.

63. Аренониевый ион (σ-комплекс)

• В какие положения будут проходить реакции электрофильного
ароматического замещения?
• Стирол – продукт для синтеза полимера (полистирола) получают в
промышленности дегидрированием этилбензола. Какой ещё способ
получения стирола из бензола можно предложить, используя
известные реакции электрофильного и радикального замещений и
отщепления?

64.

• 4-изопропилацетофенон используется в парфюмерии, имеет
запах фиалки. Предложите его синтез из бензола.

65.

• Какие реагенты а-е можно использовать
осуществления такой цепочки превращений?
для