Areni Composti aromatici

Areni Composti aromatici Areni: composti contenenti l anello benzenico Aromatico: aggettivo usato un tempo per indicare fragrante, ora indica la elevata stabilità di un sistema ciclico contenente elettroni π in coniugazione

Criteri per l Aromaticità 1. Il sistema deve essere ciclico 2. Il sistema deve essere planare 3. Ogni atomo dell anello deve far parte di un sistema π esteso 4. Il sistema π esteso deve contenere (4n+2) elettroni π che è chiamato numero di ückel.

Esempi di sistemi di ückel (4n+2) n = 0 ciclopropenil carbocatione n = 1 ciclopentadienil carbanione n = 1 n = 1 n = 2 cicloeptatrienil carbocatione ione tropilio B O N N N O S n = 0 n = 1 n = 1 n = 1 n = 2

Antiaromatico e Nonaromatico Composti antiaromatici sono ciclici, coniugati con 4n elettroni in orbitali p che si sovrappongono, ma con energia maggiore del sistema lineare corrispondente. ciclopropenil carbanione ciclopentadienil carbocatione cicloeptatrienil carbanione Composti non aromatici non hanno un anello con orbitali p che si sovrappongono e non sono planari.

Orbitali molecolari L OM a più bassa energia ha 2 elettroni. Ogni guscio pieno ha 4 elettroni. n gusci pieni E guscio aperto n gusci con 2 e- in meno aromatici: (4n+2) elettroni antiaromatici: (4n) elettroni

Benzene

Scoperta del Benzene Isolato nel 1825 da Michael Faraday che determinò in 1:1 il rapporto C:. Sintetizzato nel 1834 da Eilhard Mitscherlich che determinò la formula molecolare come C 6 6. Altri composti con rapporti inferiori di C: avevano un odore piacevole per cui furono chiamati aromatici. La struttura fu proposta da Friedrich Kekulé nel 1866.

Benzene C 6 6 esagono planare, tutti angoli di 120º tutti i legami C C = 140 pm tutti ibridizzati sp 2 = = Ibrido di due strutture contributive equivalenti OM 0 π 6 * π 4 *,π 5 * π 2,π 3 π 1 tutti gli elettroni in orbitali leganti

Stabilità del Benzene 1.34 Å (C=C) 1.54 Å (C C) Più stabile dell ipotetico cicloesatriene ~ 25.0 80.4 Calori di idrogenazione ~ 30 kcal più stabile del cicloesatriene 26.8 28.6 kcal 49.8 = Energia di risonanza stabilizzazione aromatica la coniugazione da sola non spiega questa inusuale stabilità

Stabilità del Benzene La grande stabilità del benzene determina la sua reattività: Quando reagisce perde l aromaticità ma ha la tendenza a tornare aromatico (con tutti i doppi legami coniugati): le reazioni saranno di addizione eliminazione, ossia di sostituzione. Non reagisce come gli alcheni che possono perdere il doppio legame, dando reazioni di addizione.

Stabilità del Benzene Br 2 Br addizione Br Br 2 nessuna reazione ma Br 2 FeBr 3 Br sostituzione: bromo sostituisce idrogeno

Alcuni nomi comuni: Nomenclatura C 3 C 3 C 3 3 C C 3 p-xilene mesitilene cumene O C 3 CO 2 O C 3 o-cresolo acido salicilico N,N-dietil-m-toluammide O N

Idrocarburi aromatici policiclici (PA) 7 8 1 2 6 5 4 3 naftalene antracene fenantrene 10 elettroni π n = 2 C 3 14 elettroni π n = 3 O 14 elettroni π n = 3 N 2 C 3 1,4-dimetilnaftalene 1-naftolo (α-naftolo) 2-naftilammina (β-naftilammina)

Allotropi del Carbonio Amorfo: piccole particelle di grafite; carbone, fuliggine, nero di carbone. Diamante: uno scheletro di carboni tetraedrici. Grafite: strati di anelli aromatici fusi. diamante grafite

Allotropi del Carbonio Fullereni: anelli a 5 e 6 termini arrangiati in forma di pallone da calcio. Nanotubi: metà sfera C 60 fusa a un cilindro di anelli aromatici fusi.

Composti aromatici eterociclici Piridina N N contribuisce con 1 elettrone p alla corrente d anello orbitale sp 2 perpendicolare al sistema π; nessuna interazione N ibridizzato sp 2 pka 5.2

Composti aromatici eterociclici N pirrolo O orbitale sp 2 furano S orbitali 2p orbitale 3p tiofene

Reattività di composti aromatici Come alcheni e alchini, gli aromatici reagiscono con E +, ma con reazioni di sostituzione non di addizione L anello può essere idrogenato ma in condizioni spinte La catena laterale può essere ossidata senza toccare l anello I sostituenti W (attrattori) consentono a L (leaving group) di uscire come nucleofilo Due meccanismi di S N ar 1. S E aromatica (addizione-eliminazione) G 2. Riduzione dell anello + E-Nu + -Nu 2 /Pt alta p G G 3. Ossidazione della catena laterale R COO KMnO 4 G G 4. S N aromatica (addizione-eliminazione) L Nu Nu + L W (W) W (W) 5. S N aromatica (eliminazione-addizione) L B B B + G G G G 6. Metallazione X MgX (Li) Mg (Li) G E B G G

1. Sostituzione Elettrofila Aromatica

1. Sostituzione Elettrofila Aromatica A. Meccanismo B. Alogenazione C. Nitrazione D. Solfonazione E. Alchilazione di Friedel-Crafts F. Acilazione di Friedel-Crafts G. Acilazione-riduzione 1.1. Reattività e Orientamento nelle Sostituzioni Elettrofile Aromatiche Effetti dei Sostituenti sostituenti attivanti sostituenti disattivanti sostituenti alogeni Effetti di Sostituenti multipli

1. Sostituzione Elettrofila Aromatica alchene: C C Br 2 Br C C Br addizione elettrofila aromatico: Br 2 FeBr 3 Br sostituzione elettrofila aromatica

1. Sostituzione Elettrofila Aromatica Alogenazione clorurazione bromurazione Cl 2 FeCl 3 Cl Nitrazione NO 3 2 SO 4 Alchilazione di Friedel-Crafts RCl AlCl 3 R O Acilazione di Friedel-Crafts RCOCl AlCl 3 C R Solfonazione 2 SO 4 SO 3 fumante SO 3

1. Sostituzione Elettrofila Aromatica cat + E + + + E G G E + E Nu Cat. Lewis Prodotto 1. Alogenazione Cl + Br + Cl Cl, Br Br FeCl 3 FeBr 3 Cl 2. Nitrazione + O 2 SO 4 NO2 3. Alchilazione di Friedel-Crafts 4. Acilazione di Friedel-Crafts R + + R C=O R X R O alchene R COX R CO O CO R AlX 3 F, 2 SO 4 2 SO 4 AlX 3 R O C R 5. Solfonazione SO 3 2 SO 4 SO3

1. Sostituzione Elettrofila Aromatica A. Meccanismo Queste reazioni sono legate da un unico meccanismo. Formazione di un elettrofilo E + : l elettrofilo è legato a un nucleofilo (Nu o Y); può staccarsi da solo o con un catalizzatore. La reazione procede con meccanismo a 2 stadi: 1. L aromatico attacca E +, perdendo l aromaticità. 2. L intermedio perde +, riacquistando l aromaticità.

A. Meccanismo generale: addizione-eliminazione δ+ δ E Y lento Csp 3 Y E E E agisce da base Y veloce E E (+) o- a E (+) p- a E (+) o- a E Y Y Y non si addiziona, perderebbe aromaticità δ+ E δ+ δ+ ibrido di risonanza complesso σ o di Wheland E l anello riguadagna aromaticità perdendo un protone E + entra + esce Sostituzione

A. Profilo Energetico della Reazione Il primo stadio, l addizione dell E + che porta all intermedio I, è rate determining perché distrugge l aromaticità. ST1 ST2 E E a 2 E a 1 I + E + E + + addizione eliminazione

Br Br Br Fe Br B. Alogenazione Nella alogenazione, il benzene reagisce con Cl 2 o Br 2 in presenza di un acido di Lewis come FeCl 3 o FeBr 3, per dare clorobenzene o bromobenzene. Reazioni analoghe con I 2 e F 2 non sono utili perché I 2 è troppo poco reattivo, F 2 reagisce troppo violentemente. Br Br + Br Br Fe Br Br Br + Br Br Fe Br Br Br Br Br FeBr 3 base +FeBr 3 +Br il catalizzatore viene rigenerato Br

2 SO 4 +NO 3 acido base O N O C. Nitrazione Nella nitrazione, il benzene reagisce con la miscela solfonitrica (acido nitrico e acido solforico) per dare nitrobenzene. SO 4 + 2 O O N O 2 O O=N=O ione nitronio (elettrofilo) SO 4 base + 2 SO 4 La nitrazione è utile perché il nitro gruppo può essere ridotto a N 2.

O O S O O O SO 3 S + O O O O S D. Solfonazione Nella solfonazione, il benzene reagisce con triossido di zolfo in presenza di acido solforico, per dare acido benzensolfonico. O O S O O + elettrofilo + O SO 3 SO 3 SO 4 SO 3 + 2 SO 4 La reazione è reversibile: l acido solfonico, riscaldato in 3 O +, ridà l aromatico.

E. Alchilazione di Friedel-Crafts Un aromatico, trattato con un alogenuro alchilico e un acido di Lewis (AlCl 3 ) (o con un alcool o con un alchene e un acido protico o di Lewis), dà un alchilbenzene. R Cl +AlCl 3 2 e 3 R Cl 1 +AlCl 3 R +AlCl 4 δ+ δ- R Cl AlCl 3 coppia ionica R R Cl AlCl 3 + R R +AlCl 3 +Cl

E. Alchilazione di Friedel-Crafts Un altro modo per generare carbocationi: Da alcheni, per protonazione +F +F F Da alcoli, per protonazione o con un acido di Lewis RO + BF 3 R + OBF 3 O BF 3

E. Alchilazione di Friedel-Crafts Alogenuri vinilici e arilici non reagiscono nelle alchilazioni di Friedel-Crafts. Si verificano riarrangiamenti anche se non si formano carbocationi liberi. AlCl 3 Cl ma non + C 3 C C 2 Cl AlCl 3 1,2-shift C 3 C C + 3

F. Acilazione di Friedel-Crafts Nella acilazione di Friedel-Crafts, un anello aromatico è trattato con un cloruro acilico (RCOCl) o un anidride (RCOOCOR) e AlCl 3 per dare un chetone aromatico. Dato che il nuovo gruppo legato al benzene (RCO) è chiamato un gruppo acile, il trasferimento di un gruppo acile da un atomo a un altro è chiamato acilazione. R O C Cl R C O AlCl 3 R C O R C O +AlCl 4 AlCl 4 O R ione acilio (non riarrangia) + O R + Cl + AlCl 3 RCO acile

F. Acilazione di Friedel-Crafts Anidridi come agenti acilanti: O O O C 3 C O C C 3 +C 3 CO 2 AlCl 3

Limiti delle reazioni di Friedel-Crafts 1. Alchilazione: Si formano prodotti di polialchilazione perché il prodotto (aromatico alchilato) è più reattivo del substrato. Trasposizioni. 2. Alchilazione & Acilazione Le reazioni di F. C. danno resa bassa quando sull anello aromatico vi siano gruppi elettron attrattori:, + NMe 3, COO, COR, CF 3, SO 3 un gruppo amminico: N 2, NR, NR 2 (legano ad AlCl 3 e diventano elettron + attrattori NR 2 AlCl 3 )

G. Come ottenere catene lineari Acilazione-riduzione alchilbenzeni 1 O O R C Cl R riduzione R AlCl 3 nessun riarrangiamento agenti riducenti: Zn(g), Cl (riduzione di Clemmensen) N 2 N 2, NaO, calore (riduzione di Wolff- Kishner) O O AlCl 3 Cl Zn(g) Cl

S E A su Benzeni sostituiti La S E A è una reazione generale di tutti i composti aromatici, compresi i PA, gli eterociclici aromatici e i benzeni sostituiti. Un sostituente influenza la S E A in due aspetti: La velocità della reazione in rapporto al benzene Un benzene sostituito reagisce più velocemente o più lentamente del benzene. L orientamento Il nuovo gruppo entra in posizione orto, meta o para rispetto al primo. È la natura del primo sostituente a determinare la velocità della reazione (attivazione o disattivazione) e la posizione del secondo sostituente (orientamento).

Reattività e orientamento delle S E A O Orientamento O O Velocità relativa C 3 NO 3 2 SO 4 NO 3 2 SO 4 NO 3 + C 3 C 3 + 1,000,000 25 1 I gruppi O e C 3 rendono l anello aromatico più reattivo rispetto al benzene e orientano in o-, p- sono gruppi attivanti, o-, p-orientanti 2 SO 4

Reattività e orientamento delle S E A NO 3 2 SO 4 Orientamento Velocità relativa 1 Cl NO 3 2 SO 4 Cl + Cl 0.03 Cl è un gruppo disattivante, o-, p-orientante NO 3 2 SO 4 0.000001 è un gruppo disattivante, m-orientante

Attivazione Attivanti, o,p-orientanti cedono densità elettronica all anello I, +R (+M) N 2 NR NR 2 O OR OCOR R Ar NCOR Effetti dei sostituenti fortemente attivanti debolmente attivanti Disattivanti, o,p-orientanti I, +R (+M) F Cl Br I moderatamente attivanti Disattivanti, m-orientanti attirano densità elettronica dall anello I, R ( M) CO COR COOR COO C N SO 3 NR 3 Disattivazione I Effetto induttivo R o (M) Effetto di risonanza o mesomerico

Attivazione, Disattivazione, Orientamento I gruppi o-, p- orientanti hanno lone pair di elettroni sull atomo legato all anello aromatico. I gruppi m- orientanti hanno una carica positiva, parziale o totale sull atomo legato all anello aromatico. Per capire come i sostituenti attivano o disattivano l anello alle sostituzioni elettrofile, dobbiamo considerare il primo stadio della S E A (lo stadio lento) che porta alla formazione di un intermedio carbocationico stabilizzato per risonanza.

A. Profilo Energetico della Reazione Il primo stadio, l addizione dell E +, ossia la formazione dell intermedio I, è rate determining perché distrugge l aromaticità. ST1 ST2 G E a 2 E a 1 E G I G + E + + + addizione E eliminazione 42

Attivazione, Disattivazione, Orientamento Secondo il postulato di ammond è possibile predire la velocità relativa della reazione dalla stabilità dell intermedio carbocationico. Più stabile è il carbocatione, minore sarà l energia dello S.T. da cui deriva, minore l E a, più veloce la reazione. Per valutare l effetto di un sostituente: 1. Disegnare tutti gli intermedi che derivano da attacco in orto, meta, para e valutarne la stabilità. 2. L elettrofilo attacca la posizione che genera un intermedio più stabile.

Attivazione, Disattivazione, Orientamento Gruppi elettron donatori (D) stabilizzano il carbocatione, rendendo più veloce la reazione. attivano un anello aromatico verso l attacco elettrofilo. Gruppi elettron attrattori (W) destabilizzano il carbocatione, rendendo più lenta la reazione. disattivano un anello aromatico verso l attacco elettrofilo. D E W E carbocatione più stabile carbocatione meno stabile

Sostituenti attivanti +I, +R: orientazione Energia degli Intermedi Attacco orto O O O O O O stabilizzato preferito O O O O O Attacco meta O O O O O O Attacco para stabilizzato preferito

Sostituenti disattivanti I, R: orientazione Energia degli Intermedi Attacco orto NO2 destabilizzato Attacco meta preferito Attacco para destabilizzato

Effetto dei sostituenti sostituenti attivanti sostituenti disattivanti E benzene meta E orto, para orto, para E δ+ δ+ E δ+ δ+ meta benzene δ+ O δ+ NO2 O

Alogeni I, +R: disattivanti o-, p-orientanti Per effetto induttivo l alogeno disattiva l anello: la velocità sarà < che nel benzene. Per effetto mesomerico l alogeno stabilizza l intermedio quando l elettrofilo è entrato in orto o para. Cl Attacco orto & para Cl Cl Cl NO 2 Cl Cl Cl l alogeno stabilizza Cl Attacco meta nessun effetto

Alogeni: orientazione meta orto, para E E δ+ δ+ benzene δ+ Cl Cl

Effetto dei sostituenti: riassunto Y R attivanti, o-, p-orientanti Y Z NR 3 disattivanti, m-orientanti X disattivanti, o-, p-orientanti

Limitazioni nelle S E A Aromatici fortemente attivati (O, N 2 e derivati, OR, NR, NR 2 ) vengono polialogenati se trattati con X 2 e FeX 3. Per avere il prodotto monoalogenato, si alogena senza catalizzatore. Un aromatico fortemente disattivato non dà reazioni di Friedel-Crafts. Reazioni di F.-C. non avvengono in presenza di N 2 perché questi si complessa con AlCl 3 disattivando l anello. L alchilazione di F.-C. condotta con alogenuri alchilici porta alla polialchilazione perché il monoalchilato è più attivato del substrato. La polisostituzione non avviene con la acilazione di F.-C.

Effetto di sostituenti multipli 1. Il gruppo più attivante prevale nell indirizzare la sostituzione. 2. La posizione tra due gruppi meta è troppo ingombrata per poter essere sostituita. C 3 C 3 troppo ingombrata NO 3 2 SO 4 ON 2 C 3 C 3 C 3 C 3 NO 3 2 SO 4 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 C 3 NO 3 + 2 SO 4 O 2 N O 2 N C 3 C 3

Effetto di sostituenti multipli O O Br 2 Br FeBr 3 C 3 C 3 O O O C 3 Br 2 FeBr 3 Br C 3 + C 3 Br OC 3 OC 3 SO 3 SO 3 2 SO 4

2. Riduzione dell anello benzenico a. Idrogenazione catalitica 2 /Pt, EtO, 2000 psi o 2 /Rh/C, EtO, 1 atm b. Riduzione di Birch Na, N 3 (l) C 3 O 1,4-cicloesadiene C 3 Na, N3 (l) C 3 O alchene più stabile ma non

3. Ossidazione della catena laterale Reazioni benziliche 1. alogenazione radicalica legame C più debole 2. ossidazione di areni NBS hν Br NBS: N-bromosuccinimmide Na 2 Cr 2 O 7 R C 3 nessuna reazione 2 SO 4, Na 2 Cr 2 O 7 2 SO 4, nessuna reazione

3. Ossidazione della catena laterale Reazioni benziliche ma: C 3 Na 2 Cr 2 O 7 CO 2 cumene C 3 2 SO 4, Na 2 Cr 2 O 7 2 SO 4, Na 2 Cr 2 O 7 CO 2 CO 2 qualsiasi gruppo alchilico si ossida tranne t-butile (o gruppi alchilici privi di benzilici) C 3 2 SO 4, CO 2 o-xilene acido ftalico

4. Sostituzione Nucleofila Aromatica Addizione-Eliminazione Sono richiesti: Presenza sull anello di un gruppo uscente, di solito un alogeno. Presenza di sostituenti disattivanti in o- e p- al gruppo uscente che stabilizzino l intermedio. Cl O Cl O O + Cl intermedio carbanionico stabilizzato per risonanza

4. Sostituzione Nucleofila Aromatica Eliminazione-Addizione Quando viene riscaldato con NaO acquoso sotto pressione, il clorobenzene si converte in sodio fenossido, poi acidificato in fenolo. Cl O 1. NaO, 2 O, calore, p 2. 3 O + Meccanismo: Cl O 2 O O Benzino

Sintesi regioselettive: la sequenza di reazioni determina il prodotto NO 3 Cl 2 2 SO 4 Cl FeCl 3 Cl Cl Cl Cl 2 FeCl 3 NO 3 2 SO 4 +

Sintesi regioselettive: la sequenza di reazioni determina il prodotto O O O AlCl 3 Cl NO 3 2 SO 4 O NO 3 2 SO 4 AlCl 3 Cl nessuna reazione

È l attività del gruppo a determinare la scelta delle condizioni C 3 C 3 Br 2 FeBr 3 + C 3 Br O Br 2 2 O Br O + O Br Br N 2 N2 Br Br 2 2 O Br non si ferma al primo stadio Br