Transcript Areny
Areny Aromatické sloučeniny - Aromáty • Dříve: vonné (aromatické) látky • Dnes: deriváty benzenu a strukturně příbuzných látek • Zdroje: – Uhlí – při zahřívání na 1000 °C vzniká dehet – Ropa – z přítomných alkanů reformováním při 500 °C, zvýšeném tlaku a v přítomnosti katalysatorů Názvosloví • Systematické: – Pokud je benzenové jádro hlavním řetězcem: • Název končí označením –benzen, poloha substituentů se určuje lokantem dle významu, nebo podle abecedy H C CH CH3 3 CH3 Cl Br Benzen 3 I Methylbenzen 1-Brom-3-methylbenzen 1-Chlor-3-isopropyl-5-jódbenzen – Pokud je benzenové jádro na místě vedlejšího řetězce: • Název se utvoří dle již známých pravidel a aromatické jádro se vyjádří jako substituent –fenyl, nebo -benzyl Fenyl Benzyl Názvosloví • Triviální: O OH CH3 Toluen O NH2 Fenol O Anilin CH3 H3C Acetofenon Kumen OH CN CH3 CH2 CH3 CH3 Benzaldehyd Benzoová kys. Benzonitril ortho-xylen Styren Názvosloví • Nomenklatura ortho, meta, para: – Poloha substituentu se vyjadřuje relativně k substituentu mateřské sloučeniny X ortho ortho COOH OH CH3 Cl Br meta meta ortho-chlortoluen I meta-bromfenol para para-jódbenzoová kyselina Struktura benzenu a Hückelovo pravidlo Struktura benzenu • 3 konjugované dvojné vazby • Překryvem p-orbitalů vzniká jeden delokalisovaný p-orbital, ve kterém náleží elektrony všem zúčastněným atomům • Nelze tedy lokalisovat jednotlivé dvojné vazby • Struktura benzenu je vyjádřitelná resonančními strukturami, přičemž skutečná struktura leží někde mezi nimi Molekulové orbitaly benzenu Molekulové orbitaly benzenu – srovnání s hexatrienem Důsledky struktury benzenu • Delokalisace orbitalů vede ke snížení energie systému – stabilisace struktury • Hydrogenační teplo je oproti očekávání nižší, neobvykle stálá molekula • Benzen nepodléhá adičním reakcím, ale substituci • Všechny vazby C-C jsou stejně dlouhé • Benzen je planární Hückelovo pravidlo a benzenu podobné sloučeniny • Konjugace dvojných vazeb v rámci cyklické molekuly nevede automaticky k aromaticitě! • Je zapotřebí splnit podmínku, že daný systém musí obsahovat 4n+2 elektronů (Hückelovo pravidlo) • 4n-elektronové systémy antiaromatické • Podmínka vyplývá z molekulární struktury aromatických systémů – jeden nejníže položený vazebný orbital a následně dvojice výše položených orbitalů (4 elektrony pro zaplnění) → 4n+2 + + CH - CH CH Polycyklické aromatické systémy Naftalen Antracen Benzo[a]pyren Fenantren Koronen Reaktivita benzenu a jeho derivátů Elektrofilní aromatická substituce SEAr • Negativně nabitý elektronový oblak benzenu přitahuje elektrondeficitní částice – elektrofily • Elektrofil je v reakční směsi generován – potřeba katalysatoru • Vzhledem ke stabilitě aromatického jádra nedochází k jeho zániku, ale výměně vodíku • Reakce probíhá ve dvou krocích: – 1. krok: vazba elektrofilu na benzen a vznik resonančně stabilisovaného karbokationtu – 2. krok: odštěpení elektronu, opětovný vznik stabilního benzenového jádra + + + E+ + + H H H H E E E E -H+ E Elektrofilní aromatická substituce SEAr Reagující částice Katalysator Elektrofil Produkt Reakce X2 FeX3, AlX3, (Cu2+ u I2) X+ Halogenderivát Halogenace HNO3 H2SO4 NO2+ Nitrosloučenina Nitrace SO3 H2SO4 SO3 Sulfonová kyselina Sulfonace R-X AlX3 R+ Alkylbenzen Alkylace R-COX AlX3 RCO+ Keton Acylace Halogenace • • • • Halogeny musí být nejprve pro reakci aktivovány Lewisovskou kyselinou Takto generovaná částice X+ (ve skutečnosti silně polarisovaný atom v molekule X2) atakuje benzenové jádro Jako Lewisovská kyselina slouží halogenidy hlinité, nebo železité V případě jódu není používáno Lewisovské kyseliny, ale oxidačních činidel (Cu2+, HNO3, H2O2), které jód oxidují na částici I+ Energetika aromatické halogenace a podrobný mechanismus Nitrace • Používá se „nitrační směs“ – směs kyseliny dusičné a sírové • Generovaná částice NO2+ atakuje aromatický kruh • Role kyseliny sírové spočívá v dehydrataci kyseliny dusičné • Produktem reakce jsou nitrosloučeniny (např. nitrobenzen, trinitrotoluen, etc.) Zavádění aminoskupiny na benzenové jádro • Přímou reakcí není možné zavést na benzenové jádro aminoskupinu (dusík nese v amoniaku záporný parciální náboj a amoniový ion není vhodný pro reakci – zaplněná valenční sféra) • Pro zavádění aminoskupiny se používá dvoukrokových postupů: – 1. krok: zavedení nitroskupiny – 2. krok: redukce nitroskupiny na aminoskupinu • Pro redukci se požívá: – – – – Zn/HCl Zn/CH3COOH SnCl2/CH3COOH Fe/kyselina NO2 1. SnCl2/H3O+ 2. OH- NH2 Sulfonace • Pro sulfonaci se používá buď koncentrovaná kyselina sírová, nebo oleum (směs kyseliny sírové a oxidu sírového) • Reakce je vratná! • Sulfonace se často používá pro chránění para-polohy v substituovaných benzenech, nebo pro zavádění dalších substituentů na požadované posice Alkylace • • • • • Friedel-Craftsova alkylace Katalysator: halogenidy železité a hlinité Alkylhalogenidy dárci alkylu – nepoužitelné pro vinylhalogenidy a arylhalogenidy Je zapotřebí aktivovaný aromatický kruh (jsou na něj vázány elektrondonorní skupiny) – reakce neprobíhá u skupin → -NH2, -NHR, -NR2, -NR3+, -NO2, -CN, -SO3H, CHO, -COCH3, -COOH, -COOCH3 Reakce obvykle probíhá do více stupňů – vícesubstituované produkty a současně dochází k přesmykům delších primárních alkylových řetězců na terciární, případně sekundární Nevýhody Friedl-Craftsovy alkylace • Vícesubstutuované produkty: CH3 CH3 H3C AlCl3 Cl + CH3 CH3 + + CH3 H3C H3C CH3 H3C CH3 CH3 • Přesmyky: H3C H3C + CH3 H3C CH3 AlCl3 CH3 Cl Acylace • Friedel-Craftsova acylace • Reakce chloridu, nebo anhydridu karboxylové kyseliny s aromatickou sloučeninou v přítomnosti AlCl3 • Meziprodukt: acyliový ion • Nepřesmykuje • Relativně stabilní – stabilisovýn sousedním kyslíkem • Reakce probíhá pouze jednou, nevznikají vícesubstituované produkty • Použitelné i pro zavedení primárního alkylu Oxidace aromatických sloučenin • Přímá oxidace kyslíkem – hoření CH3 • Oxidace postranních řetězců: COOH KMnO4 – KMnO4, Na2Cr2O7, O2/CoIII CH3 COOH KMnO4 • Oxidace kruhu O2/V2O5: O O2 O V2O5 O Vliv substituentů na další průběh reakcí • Pokud benzenové jádro již obsahuje navázaný substituent, nebo substituenty, rozhoduje jejich charakter o místě vstupu nového substituentu • Ortho a para dirigující substituenty: – Obsahují volné elektronové páry, které poskytují do aromatického cyklu – elektrondonorové skupiny – -NH2, -NHR, -NR2, -NH(C=O)R, -OH, -OR, -X, -alkyl • Meta dirigující substituenty: – Neposkytují elektrony do aromatického systému – Elektrony přitahují – elektronakceptorové skupiny – -N+R3, -NO2, -COOH, -CN, -COOR, -COR, -CHO, -SO3H Vysvětlení mechanismu dirigování do poloh ortho a para • Při vstupu substituentu do poloh ortho a para vznikají stabilisované meziprodukty, které řídí průběh reakce • Při vstupu do polohy meta nedochází k tak velké stabilisaci meziproduktu a proto do této polohy neprobíhá, nebo pouze omezeně Vysvětlení mechanismu dirigování do poloh ortho a para • V případě substituentů s volnými elektronovými páry dochází k jejich konjugaci s aromatickým jádrem a stabilisaci meziproduktů v polohách ortho a para Vysvětlení mechanismu dirigování do polohy meta • Při vstupu do polohy ortho a para by vznikal energeticky destabilisovaný meziprodukt • Při vstupu do polohy meta vzniká stabilisovaný meziprodukt, který řídí průběh reakce do této polohy Příklady CH3 CH3 CH3 Br Br2/FeBr3 + CH3 CH3 Br SO3/H2SO4 I I2/HNO3 O O SO3H SO 3H SO 3H NO2 NO2 COOH NO2 OH Cl2/AlCl3 SO3H OH OH 1. HNO3/H2SO4 2. Zn/HCl Cl + Cl H2N COOH SO3H Katalytická hydrogenace • V přítomnosti násobných vazeb v postranních řetězcích jsou přednostně katalysovány tyto vazby před aromatickým systémem O O CH3 H2/Pt CH3 EtOH • Hydrogenace aromatických jader probíhá až za vysokých tlaků CH3 CH3 H , Pt, EtOH 2 CH3 14 MPa, 25 oC CH3 • Katalyticky hydrogenovat lze i dvojnou vazbu C=O v sousedství benzenového jádra O H2/Pd CH3 CH3 Zástupci arenů a jejich použití Benzen • Kapalina • Charakteristický zápach, bezbarvá, hořlavá • Rozpouštědlo • Přísada do benzínu (cca 5 %) • Výchozí látka pro synthesu léčiv, umělých hmot, barviv a výbušnin • Toxický • Karcinogenní (leukemie, rakovina plic) Toluen • Kapalina • Bezbarvý, hořlavý, charakteristického zápachu • Rozpouštědlo • Náplň do teploměrů • Výchozí látka pro synthesu řady látek (např. TNT) • Zneužíván narkomany (narkotické a halucinační účinky) – rychlé poškození mozku Benzo[a]pyren • • • • Pevná látka Žlutý, krystalický Karcinogenní a mutagenní! Vzniká při spalování (výfukové plyny, kouření, grilování)