Sostituzione elttrofila aromatica
Avviene su tutti i
substrati aromatici
Solo su substrati non
disattivati.
Solo derivati attivati
Le sostituzioni nucleofile possono essere descritta da un unico meccanismo generale:
Complesso π
Non isolabili
Complesso σ
Complesso π
Complesso σ
Non aromatico, si perdono 2 elettroni π
La struttura pi-greca
include solo 5 atomi
Reversibilita’ del complesso σ
La reazione e’ reversibile se
l’elettrofilo e’ facile da
eliminare, di solito pero’ e’
piu’ difficile elimare
l’elettrofilo dell’idrogeno.
Evidenze del meccanismo
Il meccanismo e’ stato
dimostrato isolando il
complesso σ, utilizzando
l’esafluoro antimonato.
Relazioni struttura reattivita’
Attivanti, orto-para orientanti
La reeazione e’ tanto piu’
veloce quanto
l’inetermedio e’
stabilizzato.
Sulla base di cio’ si
dividono i sostiuenti in 3
categorie:
-
-
-
Meta orientanti, disattivanti
Attivanti orto-para
orientanti (alchili,
alcheni, NH2)
Disattivanti meta
orientanti (NO2,
solfonati,
solfossidi, Sali di
trietilammonio,
Sali di solfonio)
Disattivanti orto
para orientanti
(alogeni) hanno
effetto mesomero
donatore ma un
effetto induttivo
attrattore, quindi
hanno potere
disattivante.
L’orientazione e’
spiegata dalla
presenza di un
doppietto.
Sostituenti disattivanti orto,para orientanti.
Descrizione con la teoria MO:
Due possibilita’:
-
Stato di transizione simile a intermedio σ (postulato di Hammond)
Stato di transizione simile ai reagenti (possibile x elettrofili molto reattivi)
Primo caso:
L’elettrofilo ha una coppia
di elettroni localizzata per
formare un nuovo legame
σ. Se il sostituente si trova
in posizione orto para
rispetto a quello di
reazione puo’ sovrapporsi
al lumo.
LUMO
Caso b
Se lo stato di transizione e’ simile ai
reagenti non posso usare il postulato di
hammond, controllo di fontiera,
l’elettrofilo dovrebbe attaccare la poszione
del reagente con i piu’ alti coefficineti
nell’HOMO
I coefficienti piu’ alti sono in posizione orto e para, e nella posizione ipso (la stessa del sostituente) nel caso di
sostituenti elettrondonatori. Nel caso degli elettronattrattori i coefficienti HOMO non seguono la stessa regola e per
esemepio con NO2 la posizione meta e’ maggiore della
dell posizione orto. Il next-HOMO
HOMO e’ uguale in ogni sostituente, la
selettivita’ orto e para quindi diminuisce e aumenta la meta..
Controllo di carica: l’elettrofilo dovrebbe attaccare la posizione del reagnete con le maggiori densita’ elettroniche
Anche utilizzando
tilizzando un ragionamento
basato sul controllo di carica vediamo
che le maggiori densita’ elettroniche
sono in orto e para e quindi giungiamo
alla medesima conclusione. Nel caso
di sostituenti elettron attrattori, le
posizione meta sono neutre mentre le
posizioni
osizioni orto e para sono
leggermente positive, questo significa
che su benzeni distattivati c’e’ attacco
in meta.
Utilizzando gli orbitali possiamo spiegare qualunque caso e non dobbiamo piu’ partire dal presupposto che
l’intermedio sia uguale all’intermedio.
Benzeni disattivati
I benzeni disattivati sono
poco reattivi e non hanno
stati di transizione simile
all’intermedio.
Riassumendo...
I gruppi ammino e idrossi
sono molto attivanti. I gruppi
alchile, amide e alocssi sono
attivanti ma non forti.
Gli alogeni sono disattivanti
orto parta orientanti.
Il gruppo carbonile nelle
aldeide, chetoni, acidi esteri
sono disattivanti. I gruppi
ciano nitro e ammonio sono
fortemente disattivanti.
Reazione di nitrazione
Diagrammi energia vs coordinata di reazione
Elettrofili molto reattivi con
stato di transizione vicino ai
reagenti.
Elettrofili meno reattivi, stato di transizione
vicino all’intermedio (segue il postulato di
hammond) carica positiva
maggiore
maggioremaggiore
effetto sostituenti
Hammett
Hammett corrette:
Scorporano l’effetto
del sostituente e
permettono di
individuare effetti
mesomero ed
induttivo. Le costanti σ
di hammett non danno
buone correlazioni,
occorre usare le σ+, che
riflettono l’importanza
crescente
dell’interazione di
risonanz Una bassa
risonanza.
pendenza della retta σ+
indica che lo stato di
transizione e’ simle ai
reagenti.
Reattivita’ rispetto al benzene
Effetto orientante nei policicli
Secondo il postulato di
hammond la stabilita’
degli intermedi determina
la posizione della
sostituzione. Nel
naftalene
ftalene la posizione
preferita e’ la 1 (o α).
L’attacco in 2 (o β) avviene quando l’elettrofilo e’ grosso e da ingombro sterico, la sostituzione in 2 avviene anche
quiando la stabilita’ termodinamica e’ il fattore di controllo.
controllo. Esempio di attacco in β e’ la solfonazione.
Sostituzioni sul fenatrene e l’a ntracene
Il sistema preferito e’ quello che
si forma sull’anello centrale, in
quanto il prodotto risultante ha
due anelli aromatici benzenici,
piu’ stabili del prodotto
sostituito lateralmente con un
naftalene aromatico.
Questi anelli tendono a dare anche reazioni non aromatiche come l’addizione:
Addizione 1-4
Sostituzione elettrofila su sistemi eteroaromatici:
2 tipi di sistemi aromatici, π eccessivo e π deficienti.
Un sistema elettronricco e’ un anello che ha una carica negativa sugli atomi di carbonio dell’anello, mentre un
sistema elettronpovero ha una carica positiva sui carboni dell’anello.
Un sistema pi eccessivo ha piu’ elettroni che atomi, mediamente
mediamente gli atomi hanno una carica negativa un sistema pi
eccessivo e’ in generale elttronricco. Un sistema pi deficiente e’ elettronpovero.
Ricordare che le definizioni sono diverse e non e’ una regola assoluta.
Il pirrolo e’ una molecola pi eccessiva, e’ elettronricco. La piridina e’ un sistema elettronpovero pi deficiente.
Immagini su questa parte sul libro di eterociclica di abbotto.
N
E+
La stabilita’ dell’intermedio richiede che l’attacco avvenga in posizione α,, cosa che accade, si puo’ quindi usare
usar la
teoria vb per definire l’andamento della reazione.
α
L’intermedio piu’ stabile nei policicli, guardando le formule di risonanza,
sarebbe sempre il β, ma cio’ non avviene, la teoria VB quindi cade, anche
perche’ non considera le differenze nei gruppi che elettrofili che attaccano
Si osserva che:
-
La selettivita’ α/β in etoricicli pentatomici monociclici varia al variare dell’elettrofilo
Il benzofurano ha selettivita’ α, benzotiofene e indolo la hanno β
Altre due cose che la vb non spiega. Le diverse reattivita’ di benzofurano e indolo dimostano che la stabilita’
dell’intermedio non e’ determinante per decidere il prodotto favorito.
Prendendo la piridina N-ossido, si osserva che la nitrazione va in γ, la solfonazione in β e la acetossimercuriazione
va in α. Le formule di risonanza per le tre reazioni sono ovviamente uguali, questo dimostra ancora una volta che
la VB non puo’ spiegare la selettivita’.
Si potrebbe pensare che la selettivita’ sia dovuto alla differenza tra le reazioni di essere sotto controllo
termodinamico piuttosto che cinetico. Per esempio considerando un controllo termodinamico devo verificare la
nuclofilicita’ mentre per il controllo cinetico devo tenere conto della basicita’.
In realta’ il modo di capire la reattivita’ e’ basarsi sulla teoria deglo orbitali di frontiera.
Sostituzione elettrofila sui monocicli:
reattivita’: pirrolo>furano>tiofene>>benzene. Gli eterocicli danno sostituzione anche con elettrofili deboli come
copulazione con Sali di diazonio e nitrazione.
La posizione preferenziale dell’attacco elettrofilo e’ la posizione α, questo e’ in contrasto con le mappe di
densita’ di carica, ma e’ in accordo con la stabilizzazione dell’intermedio sigma. La selettivita’ alfa beta varia al
variare di anello e del reagente, va spiegata con gli orbiltali di frontiera.
Gli orbiltali presi in considerazione sono l’HOMO, il N-HOMO e il LUMO dell’elettrofilo.
Tabella 7.3, tabella 7.4, schema 7.1 del libro di abbotto qui.
Se vogliamo calcolare gli robitali del pirrolo, si deve prendere il frammento
sommo.
con il frammento —NH— e li
Si osserva che HOMO e NHOMO di pirrolo hanno energia simile. La prima ionizzazione ha energie simili tra
furano tiofene e pirrolo, mentre la seconda segue il trend crescente da pirrolo a furano.
Si nota che il coefficiente maggiore dell’HOMO e’ in alfa mentre il NHOMO e’ in beta. Siccome l’energia
dell’homo e’ maggiore di quella dell’nhomo allora l’attacco avviene in alfa, si puo’ spiegare la regiochimica.
Se si spiega la selettivita’ alfa beta sempre usando gli orbitali di frontiera possiamo osservare che la % di
molecole che reagisce con in nhomo (in beta quindi) e’ maggiore nel pirrolo che nel furano. La selettivita’ alfa
beta e’ quindi maggiore nel furano che nel pirrolo (che mostra la selettivita’ piu’ bassa).
La teoria MO mostra una regiochimica che favorisce alfa e una selettivita’ che descresce da furano al pirrolo.
I dati sperimentali mostrano la correttezza dei dati (il furano reagisce solo in alfa mentre il pirrolo e’ molto meno
selettivo).
Reazioni di sostituzione elettrofila specifiche
-
Specie elettrofila attiva
Quale step e’ quello che determina al velocita’
Orientazione e selettivita’
Nitrazione
Secondo step lento, a volte
pero’ il primo puo’ essere
to, in assenza di acidi forti.
lento,
Il terzo step e’ sempre quello
veloce.
Acetato di nitrile x la nitrazione
Nitrato di acetile
Nu:
SI puo’0 utilizzare
l’acetato di nitrile al
posto dell’acido nitrico
per risolvere il
problema dell’estrema
acidita’ di quest’ultimo
(che potrebbe
protonare alcuni
sostituenti).
X utilizzare l’acetato di
nitrile si parte
dall’acido nitrico e dalla
anidride acetica. Si
forma una anidride
mista di acido acetico e
acido nitrico, che
fungera’ da specie
elettrofila, che e’
tuttavia meno
elettrofilo dell’acido
nitrico. Ottimo per il
pirro x esempio
pirrolo
Alogenazioni
L’alogenazioni si effettua
sfruttando un acido di
lewis, il complesso tra
l’alogeno e l’acido di lewis
e’ la specie reattiva. Si
puo’ non usare l’acido se
si usa un composto
aromatico molto reattivo
come il pirrolo.
pirrolo
HOCl,BrOH, IOH sono acidi
ipoalogenidrici e sono
reattivi blandi.
Clorurazione
L’acido polarizza un cloro,
che diventa un δ+, ed e’
attaccato dall’anello
benzenico.
Acidi di Lewis
AlCl3 va usato in solventi
anidiri, la cinetica della
reazione e’ del terzo
ordine, questo significa
che anche alcl3 e’
convolto nella reazione.
La reazione con
formazione di Cl+ e
AlCL4 non e’ stata mai
AlCL4dimostrata
Bromurazione
Assenza di catalisi
Alogenazione con I2
Lo iodio non e’ un
buon elettrofilo.
Florurazione
Alchilazione di fiedel-crafts
Contempla l’uso di acidi
di Lewis, passa
attraverso la formazione
di un carbocatione o di
un simil-carbocatione
simil
(complesso 1).
Quel complesso puo’
essere gia’ la specie
reattiva o puo’ esserlo la
specie R+ (1a)
Altri agenti elettrofili
Alcool terziari danno
origine a un carbocatione
che puo’ fare da
elettrofilo per una
friedel
friedel-craft.
Ione acilio
Catalisi
In realta’ gli acidi di Lewis
usati nella reazione non sono
dei catalizzatori perche’:
1)non sono usati in quantita’
catalitica
2) si consumano nella
reazione e devono essere
messi in q.ta’ stechiometrica
(o oltre lo stechiometrico,
1.1:1)
Altri agenti elettrofili
Acido carbossilico
carbos
con
acido polifosforico a dare
una anidride mista
(specie reattiva)
I Sali di diazionio sono
molto poco reattivi,
reagiscono solo con
composti aromatici
eterociclici o con forti
gruppi elettrondonatori.
Devono essere a bassa
temperatura e in
condizioni acide (tampone
acetico a pH = 5).
Deprotronazione:
Generalmente lo step
lento e’ il primo, anche
se a volte lo stato
lento puo’ essere la
deprotonazione.